Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.

Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.

Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-09-20T20:44:34Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Pedro dos Santos Ferreira.pdf: 2174338 bytes, checksum: da6642e6b98b16e15da7ae61e2636536 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-09-21T18:41:59Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Pedro dos Santos Ferreira.pdf: 2174338 bytes, checksum: da6642e6b98b16e15da7ae61e2636536 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-21T18:41:59Z (GMT). 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Inicialmente, foram utilizadas técnicas de sensoriamento remoto para classificação supervisionada de imagens orbitais, a partir de informações disponíveis no banco de dados do Google Earth. Em seguida, o mapa gerado foi adicionado ao modelo SWAT, juntamente com informações de solos, clima e relevo. Os resultados para o mapeamento de uso e cobertura da terra comprovaram a eficiência do método adotado, possibilitando identificar que as categorias savana estépica e agricultura de sequeiro ocupam cerca de 90% da bacia. Em relação a calibração do modelo hidrológico SWAT para a vazão anual da bacia do rio Brígida, obteve-se resultados classificados como muito bons, com Nash-Soutclife = 0,92, Peaerson = 0,92, PBIAS = 0,6%. Quanto a estimativa da disponibilidade hídrica para o período de calibração, a aplicação do índice do Índice de Exploração de Água apontou que a bacia de modo, geral, apresenta grande variação da situação hídrica ao logo dos anos. Em relação ao quadro de disponibilidade hídrica per capita, a situação é preocupante para a maior parte dos anos analisados, visto a população esteve sob Estresse Hídrico. Para os cenários climáticos futuros, os modelos empregados apontaram resultados distintos. O CCCMA, apresentou incremento na precipitação pluvial, enquanto o MIROC redução. Apesar disto, os dois cenários de disponibilidade hídrica, apontam situação de Estresse Hídrico e Escassez hídrica. A configuração deste resultado se deve principalmente ao crescimento da população na bacia, projetado até o ano de 2060, e possível manutenção do atual padrão de infraestrutura. Deste modo, conclui-se que a combinação de mudanças climáticas e crescimento populacional pode ser decisiva para o agravamento de uma situação hídrica já preocupante. Os projetos de integração de bacias hidrográficas, que buscam combater a seca no Semiárido precisam levar em consideração os efeitos das mudanças ambientais sobre os recursos hídricos. / Among the environmental problems most discussed by contemporary society, we highlight the relation between climate change and water resources. In Brazil, one of the regions most vulnerable to the process is the Northeast, especially the semi-arid. However, the extent of biophysical and socioeconomic effects are still uncertain, which makes it difficult for public managers to take decisions. In this sense, the main objective of this research is to estimate the flow of the Brígida river using the SWAT hydrological model and to evaluate the degree of water availability per capita, in face of the IPCC climate change scenarios. Initially, remote sensing techniques were used for supervised classification of orbital images, based on information available in the Google Earth database. Then the generated map was added to the SWAT model, along with soil, climate and relief information. The results for land use and land cover mapping proved the efficiency of the method adopted, making it possible to identify that the categories of savanna and rainfed agriculture occupy about 90% of the basin. In relation to the calibration of the SWAT hydrological model for the annual flow of the Brígida river basin, results were classified as very good, with Nash-Soutclife = 0.92, Peaerson = 0.92, PBIAS = 0.6%. Regarding the estimation of the water availability for the calibration period, the application of the index of the Water Exploration Index indicated that the basin, in general, presents a great variation of the water situation at the time of the years. Regarding the water availability framework per capita, the situation is worrying for most of the analyzed years, since the population was under Water stress. For future climate scenarios, the models employed showed different results. The CCCMA, presented increment in the rainfall, while the MIROC reduction. Despite this, the two scenarios of water availability point to the situation of Water Stress and Water Scarcity. The configuration of this result is mainly due to the population growth in the basin, projected until the year 2060, and possible maintenance of the current infrastructure standard. In this way, it can be concluded that the combination of climate change and population growth can be decisive for the aggravation of an already worrying water situation. Watershed integration projects that seek to combat drought in the semi-arid region need to take into account the effects of environmental changes on water resources.

A pesquisa desenvolvida nesta tese foi aplicada ao Banhado do Taim e teve quatro enfoques: a análise de possíveis correlações entre índices climáticos e a precipitação no Banhado do Taim; a verificação da qualidade da previsão de precipitação proveniente de modelos atmosféricos; a previsão hidroclimática de níveis com antecedência de até 6 meses; e por fim o estabelecimento de um conjunto de regras de retirada de água da Lagoa Mangueira, de forma a contribuir com o planejamento da utilização dos recursos hídricos com múltiplos usos. Os resultados das análises mostram uma relação entre os índices climáticos e a precipitação, que as relações dos períodos secos e úmidos não estão unicamente e diretamente ligadas aos fenômenos El Niño e La Niña e que a Oscilação Decadal do Pacífico (ODP) influencia na precipitação no Sistema hidrológico do Taim, variando proporcionalmente em relação ao sinal. Na verificação da qualidade da previsão de precipitação, os modelos apresentaram boa correlação com a precipitação observada, e aqueles que apresentaram melhores desempenhos foram: o modelo global com a Média dos Membros, o MRERS e o Modelo de regressão, embora os dois primeiros tenham subestimado a precipitação observada na grande maioria do tempo. A previsão de nível com base na previsão de precipitação apresentou bons resultados, com coeficiente de correlação ficando em média 0,95, e o coeficiente de Nash mostrou que o modelo é adequado. Na verificação dos erros em relação ao nível o modelo de Regressão linear mostrou-se melhor em relação aos demais modelos, embora o horizonte de previsão seja de apenas 3 meses. Na análise do último item, para a definição de preceitos para o uso da água foi estabelecida uma metodologia que permite a integração da previsão hidroclimática com as necessidades hídricas da fauna e flora representativas do Banhado do Taim através dos Índices de Qualidade Ambiental ou Curvas guias e a estimativa do real consumo de água para o arroz irrigado, permitindo definir com um horizonte de até 6 meses, critérios para o gerenciamento dos recursos hídricos, alocando água para a irrigação e conservação do ecossistema do SHT, proporcionando benefícios mútuos. / The research conduced on this thesis Project were applied for the Taim Wetland and had four main points: the analysis of possible correlations between climatic indexes and precipitation of the Taim Wetland; the verification of the quality of forecasts developed for precipitation obtained from atmospheric models; the “hydroclimatic” forecast of levels considering six months upfront; and finally the establishment of a set of rules of water removal from Mangueira Lagoon, in order to contribute with the management and utilization of water resources for multiple purposes. The results of analysis performed show a correlation between the climatic indexes and precipitation. Relation between dry and humid seasons are not solely and directly related to El Niño and La Niña events. The results indicate an influence of the “Ocilação Decadal do Pacífico (ODP)” on the precipitation of the hydrologic system of Taim, proportionally varying in relation to the signal. On the verification of the quality of the precipitation forecast, the models presented a good correlation with the observed precipitation. The models that had the best performance were the following: the global model with the average of the members, the MRERS and the backcast. The two first mentioned underestimated the observed precipitation most of the time. The level forecast based on the precipitation forecast presented good results, with an average coefficient of correlation of 0.95. The Nash coefficient indicated the model is suitable on the error verification in relation to the “Linear backcast” even though the forecast horizon is just three months. On the analysis of the last aspect of the study, the definition of the rule for water use, a methodology that allows the integration of hydroclimatic forecast was defined, with representative hydrologic needs of fauna and flora of the Taim Wetland by the quality indexes or “guide curves” and the estimation of the real water use for irrigated rice, allowing the definition of a six months horizon, water resources management criteria, allocating water for irrigation and conservation of the SHT’s ecosystem, providing mutual benefits.

A pesquisa desenvolvida nesta tese foi aplicada ao Banhado do Taim e teve quatro enfoques: a análise de possíveis correlações entre índices climáticos e a precipitação no Banhado do Taim; a verificação da qualidade da previsão de precipitação proveniente de modelos atmosféricos; a previsão hidroclimática de níveis com antecedência de até 6 meses; e por fim o estabelecimento de um conjunto de regras de retirada de água da Lagoa Mangueira, de forma a contribuir com o planejamento da utilização dos recursos hídricos com múltiplos usos. Os resultados das análises mostram uma relação entre os índices climáticos e a precipitação, que as relações dos períodos secos e úmidos não estão unicamente e diretamente ligadas aos fenômenos El Niño e La Niña e que a Oscilação Decadal do Pacífico (ODP) influencia na precipitação no Sistema hidrológico do Taim, variando proporcionalmente em relação ao sinal. Na verificação da qualidade da previsão de precipitação, os modelos apresentaram boa correlação com a precipitação observada, e aqueles que apresentaram melhores desempenhos foram: o modelo global com a Média dos Membros, o MRERS e o Modelo de regressão, embora os dois primeiros tenham subestimado a precipitação observada na grande maioria do tempo. A previsão de nível com base na previsão de precipitação apresentou bons resultados, com coeficiente de correlação ficando em média 0,95, e o coeficiente de Nash mostrou que o modelo é adequado. Na verificação dos erros em relação ao nível o modelo de Regressão linear mostrou-se melhor em relação aos demais modelos, embora o horizonte de previsão seja de apenas 3 meses. Na análise do último item, para a definição de preceitos para o uso da água foi estabelecida uma metodologia que permite a integração da previsão hidroclimática com as necessidades hídricas da fauna e flora representativas do Banhado do Taim através dos Índices de Qualidade Ambiental ou Curvas guias e a estimativa do real consumo de água para o arroz irrigado, permitindo definir com um horizonte de até 6 meses, critérios para o gerenciamento dos recursos hídricos, alocando água para a irrigação e conservação do ecossistema do SHT, proporcionando benefícios mútuos. / The research conduced on this thesis Project were applied for the Taim Wetland and had four main points: the analysis of possible correlations between climatic indexes and precipitation of the Taim Wetland; the verification of the quality of forecasts developed for precipitation obtained from atmospheric models; the “hydroclimatic” forecast of levels considering six months upfront; and finally the establishment of a set of rules of water removal from Mangueira Lagoon, in order to contribute with the management and utilization of water resources for multiple purposes. The results of analysis performed show a correlation between the climatic indexes and precipitation. Relation between dry and humid seasons are not solely and directly related to El Niño and La Niña events. The results indicate an influence of the “Ocilação Decadal do Pacífico (ODP)” on the precipitation of the hydrologic system of Taim, proportionally varying in relation to the signal. On the verification of the quality of the precipitation forecast, the models presented a good correlation with the observed precipitation. The models that had the best performance were the following: the global model with the average of the members, the MRERS and the backcast. The two first mentioned underestimated the observed precipitation most of the time. The level forecast based on the precipitation forecast presented good results, with an average coefficient of correlation of 0.95. The Nash coefficient indicated the model is suitable on the error verification in relation to the “Linear backcast” even though the forecast horizon is just three months. On the analysis of the last aspect of the study, the definition of the rule for water use, a methodology that allows the integration of hydroclimatic forecast was defined, with representative hydrologic needs of fauna and flora of the Taim Wetland by the quality indexes or “guide curves” and the estimation of the real water use for irrigated rice, allowing the definition of a six months horizon, water resources management criteria, allocating water for irrigation and conservation of the SHT’s ecosystem, providing mutual benefits.

A pesquisa desenvolvida nesta tese foi aplicada ao Banhado do Taim e teve quatro enfoques: a análise de possíveis correlações entre índices climáticos e a precipitação no Banhado do Taim; a verificação da qualidade da previsão de precipitação proveniente de modelos atmosféricos; a previsão hidroclimática de níveis com antecedência de até 6 meses; e por fim o estabelecimento de um conjunto de regras de retirada de água da Lagoa Mangueira, de forma a contribuir com o planejamento da utilização dos recursos hídricos com múltiplos usos. Os resultados das análises mostram uma relação entre os índices climáticos e a precipitação, que as relações dos períodos secos e úmidos não estão unicamente e diretamente ligadas aos fenômenos El Niño e La Niña e que a Oscilação Decadal do Pacífico (ODP) influencia na precipitação no Sistema hidrológico do Taim, variando proporcionalmente em relação ao sinal. Na verificação da qualidade da previsão de precipitação, os modelos apresentaram boa correlação com a precipitação observada, e aqueles que apresentaram melhores desempenhos foram: o modelo global com a Média dos Membros, o MRERS e o Modelo de regressão, embora os dois primeiros tenham subestimado a precipitação observada na grande maioria do tempo. A previsão de nível com base na previsão de precipitação apresentou bons resultados, com coeficiente de correlação ficando em média 0,95, e o coeficiente de Nash mostrou que o modelo é adequado. Na verificação dos erros em relação ao nível o modelo de Regressão linear mostrou-se melhor em relação aos demais modelos, embora o horizonte de previsão seja de apenas 3 meses. Na análise do último item, para a definição de preceitos para o uso da água foi estabelecida uma metodologia que permite a integração da previsão hidroclimática com as necessidades hídricas da fauna e flora representativas do Banhado do Taim através dos Índices de Qualidade Ambiental ou Curvas guias e a estimativa do real consumo de água para o arroz irrigado, permitindo definir com um horizonte de até 6 meses, critérios para o gerenciamento dos recursos hídricos, alocando água para a irrigação e conservação do ecossistema do SHT, proporcionando benefícios mútuos. / The research conduced on this thesis Project were applied for the Taim Wetland and had four main points: the analysis of possible correlations between climatic indexes and precipitation of the Taim Wetland; the verification of the quality of forecasts developed for precipitation obtained from atmospheric models; the “hydroclimatic” forecast of levels considering six months upfront; and finally the establishment of a set of rules of water removal from Mangueira Lagoon, in order to contribute with the management and utilization of water resources for multiple purposes. The results of analysis performed show a correlation between the climatic indexes and precipitation. Relation between dry and humid seasons are not solely and directly related to El Niño and La Niña events. The results indicate an influence of the “Ocilação Decadal do Pacífico (ODP)” on the precipitation of the hydrologic system of Taim, proportionally varying in relation to the signal. On the verification of the quality of the precipitation forecast, the models presented a good correlation with the observed precipitation. The models that had the best performance were the following: the global model with the average of the members, the MRERS and the backcast. The two first mentioned underestimated the observed precipitation most of the time. The level forecast based on the precipitation forecast presented good results, with an average coefficient of correlation of 0.95. The Nash coefficient indicated the model is suitable on the error verification in relation to the “Linear backcast” even though the forecast horizon is just three months. On the analysis of the last aspect of the study, the definition of the rule for water use, a methodology that allows the integration of hydroclimatic forecast was defined, with representative hydrologic needs of fauna and flora of the Taim Wetland by the quality indexes or “guide curves” and the estimation of the real water use for irrigated rice, allowing the definition of a six months horizon, water resources management criteria, allocating water for irrigation and conservation of the SHT’s ecosystem, providing mutual benefits.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. / The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. / The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. / The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.