Curvas idf não-estacionárias na avaliação do efeito de mudanças climáticas em precipitações intensas

Abstract

Curvas Intensidade-duração-frequência (IDF) são relações hidrológicas amplamente utilizadas em projetos de infraestrutura hídrica e planejamento de bacias hidrográficas. Entretanto, é comum que IDFs sejam produzidas sob uma abordagem estacionária, o que pode não ser legítimo, nem no período histórico nem no futuro, dados os efeitos de mudanças nos padrões de precipitação. Estudos anteriores indicaram um aumento na magnitude e frequência de eventos extremos de precipitação em decorrência das mudanças climáticas. Sendo assim, espera-se um aumento do risco hidrológico associado a esses eventos e respectiva redução do tempo de retorno. Tais possibilidades alertam para a importância do conhecimento, da técnica e da adequada quantificação das curvas IDF no período futuro, essa podendo ser considerada como medida adaptativa às mudanças do clima. Neste sentido, este trabalho introduz uma abordagem não-estacionária na geração de curvas IDF futuras – em adição à abordagem estacionária – baseando-se no método Equidistance Quantile Matching (EQM). Utilizou-se para este fim, projeções do comportamento climático provenientes do modelo regional Eta (INPE-CPTEC), explorando-se a resolução temporal de 3-h e Diária, e os cenários de emissão de gases de efeito estufa do IPCC (RCP 4.5 e RCP 8.5). As IDFs futuras foram produzidas com base em duas séries de precipitação proveniente de estações meteorológicas, localizadas em duas áreas densamente urbanas do Brasil, Porto Alegre e São Paulo, para o horizonte de projeto de 2099. Esses locais foram definidos devido ao período de dados disponíveis (>30 anos), diferentes condições climáticas, e por serem municípios altamente urbanizados. Análises aos modelos climáticos utilizados identificaram moderado desempenho em representar os eventos extremos. A partir da metodologia aplicada, foi possível quantificar os impactos das mudanças climáticas sobre as precipitações intensas. Para Porto Alegre, as análises indicaram que um aumento das precipitações intensas está intrínseco aos efeitos de mudanças do clima, pois no período histórico não foram identificadas modificações significativas associadas. Já para São Paulo observou-se um comportamento contrário a Porto Alegre, sendo identificada subestimativa nas relações IDF históricas por abordagem estacionária, que ao serem adotadas mascaram os efeitos da mudança do clima no futuro, decorrentes dos cenários globais, e alteram a direção da mudança para algumas durações de precipitação. Para o cenário climático RCP 8.5, os resultados da abordagem não-estacionária indicam que eventos de precipitação de duração 24 horas e tempo de retorno 100 anos, no período histórico, tendem a ocorrer com mais frequência até o fim do século XXI (2099), reduzindo o tempo de retorno para 25 anos, em São Paulo, e para 50 anos, em Porto Alegre. Ainda, a metodologia aqui aplicada poderá servir de modelo quando da atualização/adaptação de curvas IDF como estratégia de adaptação na proposição de Planos Diretores de Drenagem Urbana, Planejamento Territorial e Gestão de Desastres de natureza hidrológica.

Intensity-duration-frequency (IDF) curves unify intense precipitation characteristics and are widely used in water infrastructure design and management. However, IDF are usually estimated under a stationary approach, which may not be realistic, neither in the historical nor in the future period, because of the impacts of climate change. Previous studies already observed an increase of rainfall depth and frequency of extreme events, as a consequence of global warming. Indeed, it is expected an increase of the hydrological risk associated to these events, meanwhile the corresponding return period reduces. Those possibilities give a sign to the importance to knowledge, capability, and suitable estimation of future IDF curves, being able to be considered as a climate adaptation measure. This work introduces a non-stationary approach – in addition to stationary – in generating future IDF curves, based on the Equidistance Quantile Matching method (EQM). Climate projections from the regional climate model Eta (INPE/CPTEC), 3-h and Daily resolution temporal, and the greenhouse’s emission scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5 from IPCC were used. Future IDFs were generated based on the series of precipitation for two gauging stations, both located in densely urban areas, Porto Alegre and São Paulo, Brazil, considering the project horizon as 2099. Those locations were selected based on the availability and representativeness of precipitation data, and different climate zones. The assessment of the climate models indicated a moderate performance in representing extreme precipitation. Based on the methodology, it was able to estimate the impacts of climate change on extreme precipitation. For Porto Alegre, analysis indicated that an increase of precipitation is only inherent to climate change (in the form of RCPs), since there is no change associated to precipitation data in the historical period. Otherwise, São Paulo presented a different behavior, being identified an underestimation of historical IDF curves under the stationary approach, which are able to mask the power and direction of climate change in the future. To the RCP 8.5 scenario, results indicated that the 24 h and 100 years return period events tends to occur more frequently by the the of the century, reducing the return period to 25 years in São Paulo, and 50 years to Porto Alegre. Moreover, the methodology applied may encourage the demand for updating of IDF curves as a climate change adaptation measure to Drainage Master plans, Land management and Disaster management.