Previsibilidade sub sazonal nas bacias sul-americanas

Abstract

A previsão sub sazonal, abrangendo horizonte de tempo que varia desde uma semana até três meses, tem emergido como um campo crucial na meteorologia e hidrologia visto a crescente demanda de previsões neste horizonte em diversos contextos. Todavia, esta abordagem desafia as limitações das previsões de curto prazo bem como as perspectivas de longo prazo. A previsão sub sazonal desempenha um papel crítico na gestão de recursos hídricos, onde a antecipação das chuvas e vazões dos rios é essencial para gestão do recurso, como na operação de reservatórios, mitigação dos efeitos de inundações ou escassez de água. Ainda que a previsão sub sazonal enfrente obstáculos, como a variabilidade climática, as complexas interações oceano-atmosfera e entre outros múltiplos fatores, é uma área de pesquisa em constante evolução e em anos recentes vem sendo fortemente motivada a desenvolvimentos técnico-científicos. Em um contexto continental na América do Sul, o gerenciamento dos recursos hídricos continentais é uma tarefa desafiadora devido à heterogeneidade das características climáticas, complexidade dos sistemas de rios e existência de usos múltiplos da água, em particular a produção de energia. Para tanto, o desenvolvimento de ferramentas capazes de quantificar antecipadamente variáveis hidrológicas em diversas localidades, com consistência espaço-temporal desempenha um papel vital na tomada de decisões em atividades relacionadas às condições hidro-meteorológicas. Neste sentido, o objetivo desta Tese foi investigar múltiplos aspectos relacionados a qualidade de previsões de precipitação e vazão em horizonte sub sazonal na América do Sul e fornecer contribuições para o desenvolvimento de produtos e respostas cientificas na modelagem de previsões sub sazonais continentais aplicadas em grandes bacias hidrográficas. O Modelo de Grandes Bacias versão América do Sul (MGB-AS) foi utilizado em associação aos dados de modelos de precipitação numérica do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Integrated Forecast System-Extended Range (ECMWF IFS-EXT) para produção de previsões de vazão de até 46 dias no futuro. Através de uma avaliação extensiva da qualidade estatística das previsões de precipitação e vazão para a América do Sul foi possível identificar a ocorrência de vieses predominantes das previsões e os padrões espaciais e sazonais dos mesmos. Destaca-se a importância da avaliação em relação às previsões de referência e a habilidade das previsões de vazão em comparação com a climatologia das precipitações observadas. A aplicação das previsões sub sazonais no contexto de geração de energia hidroelétrica ocorreu por meio da avaliação dos benefícios das previsões produzidas com o modelo MGB-AS para as usinas do sistema hidroelétrico brasileiro. A avaliação permitiu a identificação de usinas e subsistemas com maior potencial de uso destas previsões em contexto operacional, assim como a qualidade das previsões em relação a reamostragem da climatologia das observações. Destaca-se que o sistema hidroelétrico brasileiro está em constante evolução e desenvolvimento e atualmente busca uma transição de previsões baseadas em modelos estocásticos para modelos conceituais também em horizontes mais estendidos (sub sazonais), portanto, as contribuições apresentadas podem fornecer subsídios para gestão eficiente e evolução futura do sistema. O desempenho das previsões também foi avaliado após aplicação de técnicas de pós-processamento (calibração) estatística, fornecendo um aumento consistente na qualidade estatística aumentando sua confiabilidade para aplicações futuras. Por fim, os resultados deste trabalho sugerem que os métodos e estudos desenvolvidos podem servir como referência e base técnica para dar suporte a desenvolvimentos futuros que contemplem previsões de precipitação e principalmente vazões em horizonte sub sazonal. As simulações realizadas integralmente para a América do Sul fornecem resultados em todas as principais bacias do continente, consolidando uma poderosa ferramenta para gestores de recursos hídricos.

The sub seasonal forecasting, which covers up timescales ranging from weeks to months, has emerged as a crucial field in meteorology and hydrology in face of growing demand and applications in a diverse of contexts of these forecasts. This approach challenges the limitations of medium-range forecasts and long-term outlooks. Although the sub seasonal forecast horizon plays critical role in water resources management, where anticipation of rainfall and river discharges is essential for water resource management such as reservoir operation, mitigation of floods or water shortages/droughts. While facing obstacles such as climate variability, complex ocean-atmosphere interactions and incorporation of multiple factors, sub seasonal forecasting is a constantly evolving area and strongly motivated by technical-scientific developments in recent years. In a continental context for South America, the management of water resources is a challenging task due to the heterogeneity of climatic characteristics, susceptibility to floods and droughts, complexity of river systems and the existence of multiple users of water, in particular the hydroelectricity sector. For that, the development of tools capable of quantifying hydrological variables in advance in different locations, with spatio-temporal consistency, plays a vital role in decision-making in activities related to hydro-meteorological conditions. In this sense, the objective of this Thesis was to investigate multiple aspects related to the quality of precipitation and flow forecasts in the sub-seasonal horizon in South America and to provide contributions regarding the development of products and scientific responses in the modeling of continental subseasonal forecasts applied in large basins. The Modelo de Grandes Bacias for South America version (MGB-SA) was used in association with data from numerical precipitation models from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts Integrated Forecast System-Extended Range (ECMWF IFS-ENS) to produce forecasts flow rate of up to 46 days in the future. Through an extensive assessment of the statistical quality of precipitation and flow forecasts for South America, it was possible to identify the occurrence of predominant forecast biases and their spatial and seasonal patterns. The importance of evaluation in relation to reference forecasts and the ability of flow forecasts in comparison with the climatology of observed precipitation is highlighted. The application of sub seasonal forecasts in the context of hydroelectric energy generation occurred through the evaluation of the benefits of forecasts produced with the MGB-AS model for plants in the Brazilian hydroelectric system. The assessment allowed the identification of plants and subsystems with greater potential for using these forecasts in an operational context, as well as the quality of the forecasts in relation to resampling the climatology of observations. It is noteworthy that the Brazilian hydroelectric system is in constant evolution and development and is currently seeking a transition from predictions based on stochastic models to conceptual models also in more extended horizons (sub seasonal), therefore, the contributions presented can provide subsidies for efficient management and future evolution of the system. The performance of the predictions was also evaluated after applying statistical postprocessing (calibration) techniques, providing a consistent increase in statistical quality increasing its reliability for future applications. Finally, the results of this work suggest that the methods and studies developed can serve as a technical basis and reference to support future developments that include precipitation forecasts The performance of the predictions was also evaluated after applying statistical postprocessing (calibration) techniques, providing a consistent increase in statistical quality increasing its reliability for future applications. Finally, the results of this work suggest that the methods and studies developed can serve as a technical basis and reference to support future developments that include precipitation forecasts and discharges in the sub seasonal horizon. The simulations carried out entirely for South America provide results in all the main basins of the continent, consolidating a powerful tool for water resource managers.