Orientador : Profª. Drª. Alice Marlene Grimm / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa: Curitiba, 13/09/2016 / Inclui referências : f.92-96 / Resumo: A estação chuvosa na América do Sul (AS) está associada com monções de verão e o mesmo ocorre no sudeste da África (SEA), em particular Moçambique. Em ambas as regiões as chuvas do verão são extremamente importantes para a agricultura e disponibilidade de recursos hídricos. Esta dissertação tem o objetivo de estudar as variações climáticas no SEA durante o verão e suas possíveis teleconexões com a AS. Este assunto é abordado em escala intrassazonal e interanual. Séries de dados de precipitação de 7.841 estações de Moçambique (1964-2005), África do Sul (1974-1999) e cerca de 10.000 estações da AS são utilizadas. Séries mensais de vazão referentes a 23 estações de alguns rios de Moçambique (1964-2005) também são utilizadas. A principal fonte de variabilidade intrassazonal é a Oscilação de Madden-Julian (OMJ). Estudos preliminares que avaliam o seu impacto sobre a África através de anomalias de Radiação de Onda Longa Emergente (ROLE) mostram anomalias convectivas significativas relacionadas com OMJ, principalmente entre 10°S e 20°S. Elas são mais fortes no SEA. As anomalias de precipitação são submetidas a um filtro de Lanczos, que retém oscilações intrassazonais com períodos na banda de 20-90 dias e composições foram feitas para cada fase da OMJ. As anomalias positivas mais fortes e extensivas no SEA são encontradas nas fases 8 e 1, enquanto as negativas são mais fortes na fase 5. Anomalias de convecção relacionadas com as fases 1 e 8 da OMJ sobre o Oceano Índico tropical contribuem para o aumento da precipitação sobre a parte sul do continente, ao passo que as da fase 5 da OMJ favorecem a seca. De igual modo, são importantes as anomalias de circulação produzidas pela convecção associada com a OMJ na AS, que constituem trens de ondas de Rossby conectando a AS e o SEA. Estas anomalias favorecem movimento ascendente ou subsidência no SEA e fluxo de umidade do Oceano Atlântico para o sul da África (ou vice-versa), favorecendo aumento ou diminuição da precipitação observada no SEA. Anomalias de precipitação de verão da AS e SEA foram correlacionadas com defasagens entre 0 e 6 dias, revelando significativas correlações entre a precipitação do verão no SEA e na AS 4-5 dias antes, o que sugere teleconexões intrassazonais entre AS e SEA durante o verão, como pode ocorrer nas fases citadas da OMJ. Quanto à variabilidade interanual, empregou-se o método de análise de componentes principais para estudar a variabilidade da precipitação e sua relação com a vazão. A precipitação exibe variabilidade significativa associada com o fenômeno El Niño Oscilação Sul (ENOS). Além de ENOS, há influência de várias oscilações climáticas sobre a variabilidade da chuva em Moçambique, como o Modo Anular Sul, o Dipolo Subtropical do Índico, a Oscilação Multidecadal do Atlântico, a Oscilação Interdecadal do Pacífico. Contudo, ENOS é a maior forçante. A influência do ENOS pode contribuir para o aumento das vazões em algumas bacias hidrográficas de Moçambique, mas também pode favorecer a ocorrência de estiagens. Há boa concordância entre modos de variabilidade da precipitação e da vazão. Palavras-Chave - Precipitação; Variabilidade intrassazonal; OMJ; Teleconexões; Variabilidade interanual; Vazões. / Abstract: The rainy season in South America (SA) is associated with the summer monsoon and the same occurs in southeastern Africa (SEA), particularly in Mozambique. In both regions summer rainfall is extremely important for agriculture and water resources availability. The objective of this dissertation is to study climate variations in SEA during summer and their possible teleconnections with SA. This subject is addressed on intraseasonal and interannual time scales. Rainfall data from 7,841 stations in Mozambique (1964-2005), South Africa (1974-1999) and about 10,000 South American stations are used. Monthly streamflow time series from 23 stations of some rivers of Mozambique (1964-2005) are also used. The main source of intraseasonal variability is the Madden-Julian Oscillation (MJO). Preliminary studies assessing its impact on Africa through outgoing long-wave radiation (OLR) show significant convective anomalies related to the MJO mainly between 10°S and 20°S. They are stronger in SEA. Precipitation anomalies are subjected to a Lanczos filter, which retains intraseasonal oscillations with periods in the range of 20-90 days, and compositions were made at each stage of the MJO. The strongest and most extensive positive anomalies in SEA are found in phases 8 and 1, while the negative ones are strongest in phase 5 of the MJO. Convective anomalies associated with phases 8 and 1 over the tropical Indian Ocean contribute to increased precipitation over the southern part of the continent, while MJO phase 5 favor droughts. Equally important are the circulation anomalies produced by convection associated with MJO in SA, which constitute Rossby wavetrains connecting SA and SEA. These anomalies favor convection or subsidence over SEA and moisture flow from the Atlantic Ocean to southern Africa (or vice versa), favoring increase or reduction of the precipitation observed in SEA. Summer precipitation anomalies of SA and SEA were correlated with lags between 0 and 6 days, disclosing significant correlations between summer precipitation in SEA and SA 4-5 days before, suggesting teleconnection between SA and SEA during the summer, on intraseasonal time scales, as can happen in the mentioned MJO phases. Regarding interannual variability, principal component analysis is used to study the variability of rainfall and its relation with streamflow. Rainfall exhibits significant variability associated with the El Niño Southern Oscillation (ENSO). Besides ENSO, there is connection between rainfall variability in Mozambique and various modes of climate variability, atmospheric and oceanic, such as the Southern Annular Mode, the Indian Ocean Subtropical Dipole, the Atlantic Multidecadal Oscillation, the Pacific Interdecadal Oscillation. Notwithstanding, ENSO is the most important forcing. The influence of ENSO can contribute to the increase of streamflow in some rivers basins in Mozambique, but may also favor the occurrence of droughts. There is good agreement between precipitation and streamflow modes of variability. Key-words - Precipitation; Intraseasonal variability; MJO; Teleconnection; Interannual variability; Streamflow.

Resumo: O balanço hídrico constitui-se em uma ferramenta fundamental para a agricultura e mesmo os métodos mais simplificados necessitam da entrada de algumas variáveis climáticas que requerem cálculos complexos ou equipamentos de alto custo. O objetivo deste trabalho foi identificar e analisar métodos alternativos para estimativa de duas variáveis de entrada (precipitação e evapotranspiração) em um balanço hídrico diário, em comparação com a metodologia padrão, visando disponibilizar aos profissionais da área ferramentas metodológicas e instrumentais de baixo custo, fácil aquisição ou construção, uso e cálculo, que apresentem precisão aceitável quando comparados aos métodos e instrumentos considerados padrão pela comunidade científica. O trabalho foi realizado no Setor de Ciências Agrárias da UFPR, em Curitiba/PR, entre julho de 2008 e janeiro de 2009. Para medição da precipitação utilizou-se oito modelos de pluviômetros alternativos, nos quais os valores de precipitação foram comparados aos medidos em um pluviômetro tipo Ville de Paris, considerado como padrão. Para comparação dos resultados analisou-se os seguintes parâmetros: altura, área de captação, processo de leitura e proteção contra evaporação. A evapotranspiração de referência diária (ETo) padrão foi estimada com o método de Penman- Monteith (FAO) e cinco modelos alternativos, propostos por: Thornthwaite, Camargo, Hargreaves e Samani, Budyko e Linacre, a partir dos dados climáticos fornecidos pelo SIMEPAR, para Curitiba-PR, no período de 1997 a 2007. Os valores de precipitação e evapotranspiração foram analisados estatisticamente por meio de análises de regressão linear e seu respectivo coeficiente de correlação (R), índices “d” de concordância de Willmott e índices “c” de confiança propostos por Camargo e Sentelhas. Cenários para verificar o desempenho dos balanços hídricos calculados com os métodos alternativos que apresentaram melhor resultado, em relação aos calculados com a metodologia padronizada, foram realizados considerando capacidades de água disponível (CAD) de 30 mm, 60 mm, 90 mm e x 120 mm, kc = 1,0 e p = 0,5. Nas análises realizadas verificou-se que: (a) As estimativas diárias de precipitação realizadas com os pluviômetros Alternativos 1 a 8 apresentaram “ótimo” desempenho com as medidas diárias de precipitação realizadas no pluviômetro Ville de Paris. Com base nos índices de desempenho obtidos e nas características funcionais, os pluviômetros Alternativos 2 e 4 a 7, são os mais recomendados por apresentarem facilidades construtivas e operacionais (manuseio); (b) As estimativas diárias da evapotranspiração de referência (ETo) realizadas com os métodos de Thornthwaite e Camargo mostraram desempenho (índice “c”) “muito bom” e “ótimo”, respectivamente, para as análises anuais, quando comparados com o método de Penman-Monteith (Padrão FAO). Considerando as estações do ano, as estimativas diárias mostraram desempenho predominantemente “mediano”, tendo maior exatidão (0,78 índice “d” 0,88) do que associação (0,71 R 0,80). Os métodos de Hargreaves e Samani, Budyko e Linacre são inadequados para estimar a ETo na região analisada; (c) O desempenho do balanço hídrico realizado com a metodologia alternativa, em comparação com a metodologia padrão, depende da água disponível no solo (AD) e da combinação do grau de acerto (associação e exatidão) com que os métodos alternativos estimam a ETo e a precipitação dentro do período analisado; (d) Para um desempenho “ótimo” na estimativa da precipitação (pluviômetro Alternativo 4) e “mediano” na estimativa da ETo (método de Camargo), as componentes do balanço hídrico alternativo em relação ao padrão (ER, ARM, DEF) têm maiores desvios para períodos quentes e ocorrência de precipitação pluviométrica insuficiente para manter o armazenamento da água no solo próximo de sua zona úmida (CAD ·(1– p) < ARM CAD).

Orientador : Profª. Drª. Miriam Rita Moro Mine / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa: Curitiba, 15/02/2013 / Inclui bibliografia / Área de concentração: Engenharia de recursos hídricos / Resumo: O aumento da frequência e intensidade dos eventos extremos tem se tornado uma das grandes preocupações para a comunidade científica, principalmente, no entendimento do comportamento das variáveis climatológicas. Pois, está claramente evidente, que o clima é um condicionante fundamental no desenvolvimento da população. No entanto, tendo em vista a vida útil dos empreendimentos, observa-se com certa frequência a projeção para o futuro, de um comportamento estatístico das séries históricas. Deste modo, fica clara a importância de se desenvolver ferramentas que estabeleçam critérios de segurança, e possíveis medidas preventivas contra o impacto das mudanças climáticas. Assim sendo, o presente trabalho tem como principal objetivo analisar a influência de mudanças climáticas nas precipitações. Para tal, foram definidos como objetivos específicos, (i) analisar tendências anuais das precipitações observadas e geradas por modelos climáticos regionais (RCM); (ii) analisar tendências sazonais das precipitações observadas e geradas por RCM; e (iii) analisar a frequência de precipitações máximas diárias observadas e geradas por RCM. A pesquisa baseou-se essencialmente na aplicação de métodos estatísticos e na análise exploratória de dados, tomando como base as evidências climáticas observadas, relatadas e projetadas para o futuro, de acordo com os cenários gerados pelos RCM. Os resultados preliminares foram bastante interessantes, pois, mostraram em termos de tendência anual de precipitação, que a área de estudo, bacia do rio Iguaçu, apresenta uma ligeira tendência de aumento da precipitação, sendo, o verão e a primavera as épocas mais chuvosas. Em termos de sazonalidade, observou-se que a bacia do rio Iguaçu não apresenta uma sazonalidade bem definida nos dados observados, ao contrário dos resultados gerados pelos modelos, que mostram períodos de chuva bem definidos. Quanto à análise de máximos precipitados, verificaram-se para o mesmo período de retorno nos dados observados, quantidades de chuva muito diferentes à projetada pelos cenários gerados através dos modelos climáticos regionais. / Abstract: The increased frequency and intensity of extreme events, has become a major concern for the scientific community, especially in understanding the behavior of climatic variables. It is clearly evident that the climate is a key determinant for the community development. However, it is frequent in the projects, see the projection for the future, a statistical behavior of the historical series. Thus, it is clear the importance of developing tools that establish safety criteria, and possible preventive measures against the impact of climate change. On this way, this paper has as main objective to analyze the influence of climate change on rainfall. For this purpose, specific objectives were defined as (i) analyze trends and observed annual rainfall generated by regional climate models (RCM), (ii) analyze seasonal trends in rainfall observed and generated by RCM, and (iii) analyze the frequency of maximum daily rainfall observed and generated by RCM. The research was based primarily on the application of statistical methods and exploratory data analysis, based on the evidence observed climate, reported and projected for the future, according to the scenarios generated by the RCM. Preliminary results were very interesting because it showed in terms of annual precipitation trend on the study area, the Iguaçu River basin, a slight upward trend in precipitation, and the summer and spring seasons were the rainiest. In terms of seasonality, it was observed that the Iguaçu basin does not show a well-defined seasonality in the observed data, unlike the data produced by the models, which show well-defined periods of rain. The analysis of maximum precipitates on the same return period, showed a very big difference between the rainfall amounts of observed data and projected by scenarios generated through the regional climate models

Orientador : Prof. Dr. Sérgio Scheer / Co-orientador : Dr. Cesar Augustus Assis Beneti / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 06/06/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Programação matemática / Resumo: A banda brilhante (BB) é uma camada de alta refletividade que ocorre durante o derretimento de neve agregada e cristais de gelo. Essa camada de alta refletividade pode causar erros no cálculo da taxa de precipitação. Por isso, é importante identificar corretamente essa camada nos dados de radar meteorológico para que uma correção possa ser aplicada. Este trabalho utiliza duas técnicas para a identificação desta região. A primeira utiliza os produtos VIL e Zmax para classificar os dados em precipitação convectiva e estratiforme, para então, dentro da região estratiforme, limitar a banda brilhante utilizando um cálculo de sua espessura aparente. A segunda, utiliza a metodologia k-means, que agrupa os dados em três grupos utilizando variáveis obtidas a partir dos dados de refletividade. Estes três grupos representam a precipitação convectiva, a estratiforme e a região de banda brilhante. Após a identificação da região de banda brilhante é aplicada uma técnica para a correção desses dados utilizando o perfil vertical de refletividade. Os valores de refletividade são então convertidos para taxa de precipitação utilizando uma relação Z-R adequada. Em seguida, esses valores são comparados com a precipitação medida por pluviômetros localizados no raio de alcance do radar. As duas técnicas obtiveram melhores resultados quando comparadas com os dados originais. Na comparação entre as técnicas, o k-means mostrou, em geral, os melhores resultados. Palavras-chave: Radar Meteorológico, Banda Brilhante, Perfil Vertical de Refletividade, K-means. / abstract: The bright band (BB) is a layer of enhanced reflectivity due to melting of aggregated snow and ice crystals. This layer of high reflectivity can cause errors in the calculation of the rain rate. Therefore, it is important to correctly identify this layer in radar observations for a correction to be applied. This current study uses two techniques for the identification of this region. The first uses the products VIL and composite reflectivities to convective-stratiform precipitation segregation, and then, within the stratiform region, limit the bright band using a first-guess apparent BB depth. The other method uses kmeans, wich is used for clustering the data into three clusters, using variables obtained from radar reflectivity. These three clusters represent the convective and stratiform precipitation and bright band region. After identify the region of bright band is applied a technique for the correction of these data using the vertical profile of reflectivity. The reflectivity values are then converted to rain rate using an appropriate Z-R relationship. Then these values are compared with rainfall measured by rain gauges located within radar range. Both techniques present better results when compared with the original data. However, when comparing the two techniques, k-means showed, in general, the best results. Key-words: Radar, Bright Band, Vertical Profile of Reflectivity, K-means.

Resumo: A Floresta Estadual do Palmito é um remanescente do Bioma Mata Atlântica, com vegetação característica de Floresta Ombrófila Densa das Terras Baixas, e encontra-se atualmente em diferentes fases sucessionais. Esta formação florestal ocorre sobre Espodossolos arenosos e de baixa fertilidade, sendo que a ciclagem de nutrientes é fundamental para a sustentabilidade deste ecossistema, entretanto pouco se sabe dos principais processos e nutrientes envolvidos nesta ciclagem. O presente trabalho foi conduzido com o objetivo de gerar informações importantes para a compreensão da dinâmica biogeoquímica em ecossistemas da Floresta Atlântica no litoral do Paraná. As parcelas de estudo foram selecionadas para representar três tipologias florestais com diferenças em idade, diversidade florística e histórico de uso da terra. Para o monitoramento da precipitação total, foi instalado pluviômetro em clareira próxima às parcelas de estudo. Em cada tipologia florestal foram instalados coletores de precipitação interna, cápsulas porosas a 15 e 40 cm de profundidade no perfil do solo, para a coleta de soluções de solo e piezômetros para coleta de soluções do lençol freático. As amostragens das soluções foram realizadas a cada 21 dias, de julho de 2000 a dezembro de 2004. A dinâmica da precipitação pluviométrica mostrou-se, para a maior parte dos anos, semelhante à dinâmica anual histórica, registrada em estação metereológica próxima ao local de estudo. Foram observadas diferenças na interceptação da precipitação entre as tipologias florestais sendo explicadas pelas diferenças com relação a cobertura florestal, porte e número de estratos arbóreos. As concentrações de alguns íons nas soluções de precipitação total e interna sofreram influência caracterizada pelo efeito de diluição/concentração em função do volume precipitado. Sódio e cloreto, íons de origem marinha, foram os principais componentes das soluções de precipitação total e interna, caracterizando a influência da vegetação como captadora destes elementos. A composição química das soluções de solo foi diferente das soluções de precipitação, sendo composta principalmente por elementos resultantes do processo de mineralização e decomposição da matéria orgânica. Isso sugere a contribuição da vegetação sobre a composição química destas soluções; sendo diferenciada nas três tipologias florestais devido às diferenças existentes na constituição da serapilheira. As soluções do lençol freático apresentaram composições e concentrações parecidas com as das soluções de solo, entretanto os valores de pH foram maiores, indicando uma neutralização dos ácidos orgânicos possivelmente pela complexação com alumínio presente nas soluções. A composição química das soluções de precipitação pode sofrer influência sazonal, pelo efeito de diluição/concentração em função do volume precipitado. A entrada de sódio e cálcio nos ecossistemas através da precipitação foi expressiva, sendo também marcante para potássio e magnésio. A ordem decrescente de entrada de elementos minerais através da precipitação externa foi Na>Ca>Mg>K>NO3 e Na>Ca> K>Mg>NO3 para precipitação interna

Resumo: A influência da chuva nas diversas áreas da atividade humana torna indispensável o seu monitoramento. A maioria das precipitacções pode ser classificada em dois grupos: sistemas convectivos e estratiformes. Os sistemas estratiformes são caracterizados por chuvas leves e moderadas e grande área de cobertura. Já os convectivos estão associados com altas taxas de precipitação. Devido às acentuadas diferenças que existem entre os dois sistemas, ser capaz de classificálos contribui para a melhora da estimativa de precipitação. Além disso, a classificação torna possível também a identificação, previsão e acompanhamento de tempestades severas (sistemas convectivos), resultados que podem ainda ser utilizados nos alertas de temporais, nchentes e inundações, com aplicações diretas em diversas áreas da atividade humana (energia, agricultura, turismo, defesa civil, entre outros). Tudo isso justifica a necessidade de um critério para separar e classificar os diferentes tipos de chuva que podem ocorrer na região de abrangência do radar. O objetivo deste trabalho é classificar os sistemas meteorológicos em convectivo ou estratiforme, de acordo com as características peculiares a cada evento. Para tanto, duas técnicas são aplicadas. A primeira é um método de reconhecimento de padrões, o chamado Support Vector Machine (SVM), técnica que, a partir de dados previamente classificados, cria um hiperplano separador entre as classes, através do qual novos dados podem ser classificados. Assumindo como padrão imagens de radar classificadas por especialista, os resultados obtidos pelo método apresentam um maior índice de acerto, quando comparados com as soluções obtidas por uma técnica de separação da chuva já existente. O segundo método bordado é uma técnica de análise de agrupamentos, o K-means, que classifica um conjunto de dados em um determinado número de grupos, baseado na similaridade ou dissimilaridade entre os dados. Em relação á classificação feita pelo especialista, o SVM apresenta melhores resultados. Porém, o K-means mostra resultados melhores quando a comparação é feita com a técnica de classificação já existente na literatura. Além disso, o K-means mostrou-se mais eficiente com relação a tempo de execução, e possui a vantagem de não necessitar de dados previamente classificados, já que a classificação, neste caso, é muito subjetiva. Quando a comparação é feita entre as duas técnicas propostas, observa-se que mais de 85% dos dados obtiveram a mesma classificação.

Resumo: Nas regiões tropicais, como a Bacia Litorânea do Estado do Paraná os fenômenos pluviométricos são naturalmente mais intensos do que nas regiões temperadas, provocando assim um desequilíbrio mas acentuados no ciclo hidrológico. A presença da Serra do Mar na Bacia Hidrográfica Litorânea do Estado do Paraná faz os fenômenos fluviométricos serem acelerados devido a topografia bem acentuada. Desta forma, o processo chuva-vazão é violentamente rápido e intenso. Entretanto, não há até hoje, nenhum trabalho que desenvolvesse um modelo matemático sobre o processo chuva-vazão da região. O presente trabalho teve como principal objetivo desenvolver um programa computacional do Modelo de Tanque, que seja adequado para as Bacias Marumbi e Nhundiaquara pertencentes a Bacia Hidrográfica Litorânea do Estado do Paraná, e avaliar o processo chuva-vazão das mesmas. A calibração do modelo foi realizado pelo método de tentativa e erro e teve como dados de entrada precipitação, vazão medida, ETR estimada. A calibração apresentou razoavelmente bons resultados, principalmente na parte de recessão dos hidrogramas. A função erro utilizada no Modelo de Tanque apresentou uma média de 44 % para Fi e 38 % para F2 na Bacia Marumbi e 44 % para Fi e 36 % para F2 na Bacia Nhundiaquara. Os coeficientes de escoamento e infiltração utilizados para calibrar o modelo tiveram comportamentos semelhantes nos anos estudados (1978 a 1995). O escoamento de base ficou em média com 61,53 % do escoamento total na Bacia Marumbi e 57,3 % na Bacia Nhundiaquara, indicando que ambas bacias tem boa capacidade de armazenamento.