A large portion of the freshwater in western Canada originates as snowpack from the northern Rocky Mountains. The temperature and precipitation in these areas controls the amount of snow accumulated and stored throughout the winter, and the amount and timing of melt that occurs during the spring freshet. Therefore, a better understanding of past and future changes to the extent of snowpack and timing of melt can modify the timing of peak river flow on a continental scale. Trends in temperature, precipitation, snow accumulation, and snowmelt are examined using the Mann-Kendall non-parametric test on a high resolution gridded climate dataset over western Canada for the period 1950-2010. In addition, projected changes in temperature, precipitation, snow water equivalent, and snowmelt are examined through comparison of the current (1971-2000) and future (2041-2070) time periods incorporating several regional climate models. The temporal and spatial analyses of these key hydroclimatic variables indicate that changes vary greatly over space and time. Results reveal that while both maximum and minimum temperature have increased in the past 60 years, minimum temperature has increased more than maximum temperature and is likely to continue doing so in the future. This trend is particularly evident during the colder months of the year, and at higher elevations, contributing to earlier spring melt. Between 1950 and 2010, precipitation has decreased throughout the colder months of the year and increased in the warmer months, particularly in the northern half of the study area. Future projections show increased precipitation, specifically in the north. Throughout the historical period snow accumulation has experienced decreases across the study area and through all months of the year, except for increases at high elevations. In the coldest months of the year snow accumulation is projected to increase in high elevation and northern areas while decreasing across the rest of study area in the future. Snowmelt results indicate slight increases in mid-winter melt events and an earlier onset of the spring freshet; this change is expected to continue into the future period. This study provides a summary of detected trends and potential future changes in key hydroclimatic variables across western Canada with regard to the effects these changes can have on the spring freshet and streamflow, and thus water resources, throughout the study area. / Graduate / 0368

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

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

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

<p>Droughts are complex natural disasters caused due to deficit in water availability over a region. Water availability is strongly linked to precipitation in many parts of the world that rely on monsoonal rains. Recent studies indicate that the choice of precipitation datasets and drought indices could influence drought analysis. Therefore, drought characteristics for the Indian monsoon region were reassessed for the period 1901-2004 using two different datasets and standard precipitation index (SPI), standardized precipitation-evapotranspiration index (SPEI), Gaussian mixture model-based drought index (GMM-DI), and hidden Markov model-based drought index (HMM-DI). Drought trends and variability were analyzed for three epochs: 1901-1935, 1936-1970 and 1971-2004. Irrespective of the dataset and methodology used, the results indicate an increasing trend in drought severity and frequency during the recent decades (1971-2004). Droughts are becoming more regional and are showing a general shift to the agriculturally important coastal south-India, central Maharashtra, and Indo‑Gangetic plains indicating food security challenges and socioeconomic vulnerability in the region.</p><p><br></p><p> </p><p><br></p><p>Drought severities are commonly reported using drought classes obtained by assigning pre-defined thresholds on drought indices. Current drought classification methods ignore modeling uncertainties and provide discrete drought classification. However, the users of drought classification are often interested in knowing inherent uncertainties in classification so that they can make informed decisions. A probabilistic Gamma mixture model (Gamma-MM)-based drought index is proposed as an alternative to deterministic classification by SPI. The Bayesian framework of the proposed model avoids over-specification and overfitting by choosing the optimum number of mixture components required to model the data - a problem that is often encountered in other probabilistic drought indices (e.g., HMM-DI). When sufficient number of components are used in Gamma-MM, it can provide a good approximation to any continuous distribution in the range (0,infinity), thus addressing the problem of choosing an appropriate distribution for SPI analysis. The Gamma-MM propagates model uncertainties to drought classification. The method is tested on rainfall data over India. A comparison of the results with standard SPI shows significant differences, particularly when SPI assumptions on data distribution are violated.</p><p><br></p><p> </p><p><br></p><p>Finding regions with similar drought characteristics is useful for policy-makers and water resources planners in the optimal allocation of resources, developing drought management plans, and taking timely actions to mitigate the negative impacts during droughts. Drought characteristics such as intensity, frequency, and duration, along with land-use and geographic information, were used as input features for clustering algorithms. Three methods, namely, (i) a Bayesian graph cuts algorithm that combines the Gaussian mixture model (GMM) and Markov random fields (MRF), (ii) k-means, and (iii) hierarchical agglomerative clustering algorithm were used to find homogeneous drought regions that are spatially contiguous and possess similar drought characteristics. The number of homogeneous clusters and their shape was found to be sensitive to the choice of the drought index, the time window of drought, period of analysis, dimensionality of input datasets, clustering method, and model parameters of clustering algorithms. Regionalization for different epochs provided useful insight into the space-time evolution of homogeneous drought regions over the study area. Strategies to combine the results from multiple clustering methods were presented. These results can help policy-makers and water resources planners in the optimal allocation of resources, developing drought management plans, and taking timely actions to mitigate the negative impacts during droughts.</p>

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

Long-duration records are necessary to understand and assess the long-term dynamics of natural systems. The purpose of this research was to use dendrochronologic modelling to construct proxy histories of hydroclimatic conditions and Pacific salmon abundance in west central British Columbia. A multi-species regional network of tree ring-width and ring-density measurements was established from new and archived tree-ring chronologies. These chronologies were then used in multivariate linear regression models to construct proxy records of nival river discharge, summer temperature, end-of-winter snow-water equivalent (SWE), the winter Pacific North America pattern (PNA) and Pacific salmon abundance. All proxy hydroclimate records provide information back to 1660 AD. Reconstructions of July-August mean runoff for the Skeena and Atnarko rivers describe below average conditions during the early- to mid-1700s and parts of the early-, mid- and late-1900s. Models describe intervals of above average river discharge during the late-1600s, the early-1700s and 1800s, and parts of the early- and mid-1900s. Fluctuations in proxy reconstructions of July-August mean temperature for Wistaria and Tatlayoko Lake, May 1 SWE at Mount Cronin and Tatlayoko Lake and October-February PNA occurred in near synchrony with the shifts described in runoff records. Episodes of above average runoff were typically associated with periods of enhanced end-of-winter SWE, below average summer temperature and positive winter PNA. A history of Pacific salmon abundance was reconstructed for four species of salmon (chinook, sockeye, chum and pink) that migrate to coastal watersheds of west central British Columbia. Proxy records vary in length and extend from 1400 AD, 1536 AD and 1638 AD to present. Salmon abundance reconstructions varied throughout the past six centuries and described significant collapse in population levels during the early-1400s, the late-1500s, the mid-1600s, the early-1700s, the early-1800s and parts of the 1900s. Wavelet analyses of reconstructed hydroclimate and salmon population records revealed low- and high-frequency cycles in the data. Correlation analyses related reconstructions to atmospheric teleconnection indices describing variability in North Pacific sea surface temperatures and the Aleutian Low pressure centre. To a lesser degree, relationships were also established between reconstructions and the El Niño-Southern Oscillation. Results thus confirm the long-term influence of large-scale ocean and atmospheric circulation patterns on hydroclimate and Pacific salmon abundance in west central British Columbia. The reconstructions introduced in this thesis provide insights about the long-term dynamics of the west central British Columbia environment. Several reconstructions presented in this thesis provide novel contributions to dendrohydroclimatic and paleoecologic research in Pacific North America. Proxy runoff records for the Skeena and Atnarko rivers are the first to be constructed for nival-regime basins in British Columbia. The models of Skeena River runoff and Mount Cronin SWE are additionally the first reconstructions of runoff and snowpack in Pacific North America based on a ring-density chronology, demonstrating the significant contribution that wood density measurements can make to dendrohydroclimate research. The models of Pacific salmon stocks are the first to utilize climate-sensitive tree-ring records to construct a history of regional salmon abundance and thus represent a significant advancement to paleoecological modelling. / Graduate

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3947724 bytes, checksum: 50920d86d71706d9eadc4a9c51f528dd (MD5) Previous issue date: 2012-02-14 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / There is a clear shift happening in the physical environment of the Amazon forest, where human intervention has intensified dramatically during the last half of the twentieth century. Recent studies suggest that changes in regional climate caused by local deforestation have the potential to cause parts of the Amazon to cross an ecological tipping point : a critical threshold at which a relatively small perturbation can qualitatively alter the state or development of a system, in this case shifting the Amazon system into a new and drier equilibrium. In addition to the deforestation of the Amazon, continuing deforestation of the Cerrado (which has already been deforested by more than 55%) could combine with the climate impacts of Amazonian deforestation to produce a significant increase of the duration of the dry season in the transition zone between forest and savanna ( arc-of-deforestation&#8223;) in south east Amazonia. However, the limits and patterns of deforestation in the Amazon and Cerrado that would affect forest&#8223;s climate remain unknown. The aim of this study is to investigate the response of the climate of different regions of the Amazon rainforest to progressive deforestation of the Amazon and the Cerrado, and assess the possibility of the emergence of an alternative bioclimatic equilibrium. To achieve this goal, we generated 10 Amazon deforestation scenarios and 10 mixed deforestation scenarios, combining forest and savanna removal, and all scenarios were implemented in the coupled atmosphere-biosphere model CCM3-IBIS. We run 5 ensembles for each scenario, for 50 years each, with CO2 fixed at 380 ppm. The results show that when we consider the climate for the total forest area, there is no transposition of the tipping point. However, considering the arc-of-deforestation climate, we observed the emergence of a bioclimatic equilibrium typical of seasonal forest, and in regions in the south, southwest and east of the forest a bioclimatic equilibrium typical of savanna. In all of these cases, the combined effect of forest and Cerrado deforestation was significant. These results show the resilience of some regions of the forest and the vulnerability of others, which can help decision makers and conservationists in the development and implementation of conservation policies. / Há uma clara mudança acontecendo no ambiente físico da floresta amazônica, onde a intervenção humana se intensificou drasticamente durante a última metade do século XX. Recentes estudos sugerem que mudanças no clima regional causadas pelo desmatamento local possuem o potencial de fazer com que partes da Amazônia atravessem o chamado ponto de desequilíbrio do sistema. Este ponto se refere à probabilidade da Amazônia cruzar um limite crítico, que poderia fazer com que a mesma salte para um estado de equilíbrio bioclimático alternativo, mais seco que o atual. Além do desmatamento amazônico, a remoção total do Cerrado, que atualmente já foi desmatado em mais de 55%, agindo em conjunto o desmatamento da Amazônia, poderia induzir a um aumento na duração da estação seca na região de transição entre floresta e savana (arco do desmatamento), o que pode contribuir para o surgimento de um equilíbrio bioclimático alternativo para a região. Porém, ainda não se sabe quais os limites e sob quais padrões de desmatamento da Amazônia e do Cerrado o clima da floresta será afetado. O objetivo deste trabalho é investigar a resposta do clima de diferentes regiões da floresta amazônica ao desmatamento progressivo da Amazônia e do Cerrado, e verificar a possibilidade do surgimento de equilíbrio bioclimático alternativo para as mesmas. Para atingir esse objetivo, foram gerados 10 cenários de desmatamento amazônico e 10 cenários de desmatamento combinado entre floresta e Cerrado, que foram implantados no modelo acoplado atmosfera-biosfera CCM3-IBIS. Foram rodadas cinco ensembles para cada cenário, e as simulações tiveram a duração de 50 anos, com CO2 fixo em 380 ppm. Os resultados mostram que quando se considera o clima médio para a região total de floresta, não ocorre transposição de equilíbrio. Porém, considerando o clima médio para a região do arco do desmatamento, foi observado o surgimento de equilíbrio bioclimático típico de floresta sazonal, e em regiões no sul, sudoeste e leste da floresta foi observada transição para equilíbrio bioclimático típico de savana. Nos casos em que houve transposição do ponto de desequilíbrio do sistema, o efeito combinado do desmatamento de floresta e Cerrado mostrou-se significativo. Estes resultados mostram a resiliência de algumas regiões da floresta e a fragilidade de outras, o que pode auxiliar tomadores de decisão e conservacionistas na elaboração e implementação de políticas de conservação na floresta.

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

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