Impact of climate projections on Intensity-Duration-Frequency relationships of heavy rainfall in Pelotas/RS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.55761/abclima.v33i19.16691

Keywords:

Climate changes, Extreme hydrological events, Design rainfall, Design streamflow, Hydrological engineering

Abstract

One of climate changes (CC) main impacts are the projected increases in intensity and frequency of occurence of extreme hidrologyc events. Currently, the characterization of intense precipitaion patterns is given by the Intensity-Duration-Frequency (IDF) relation using observed data, however, in order to develop resilient infrastructure and reduce the risk of hydraulic structures’ failure in the future the use of climate projections is strategic in order to adress adaptation and mitigation measures on a local scale. It is presented a methodology for the adjustment of IDF curves for Pelotas/RS through the platform Genetic Algorithm Methodology for IDF (GAM-IDF) in order to compare the expected changes for events with 5 and 100 years of Return Period (RP) under the perspective of CC. Future projections for maximum anual precipitaion in 1 day generated by 4 global climate models downscaled by the regional climate model Eta under two Representative concentration pathways – RCP 4.5 and 8.5 until the end of the century (2006-2099) as well as daily pretipitation observed data (1966-2005) representative of the present are analysed. An increase in precipitation intensity is suggested on both RPs studied, specially on scenario RCP 4.5 and events of shorter duration, projecting averege increments of 11.5% and 25,6% for events with RP of 5 and 100 years, respectivelly, which may suggest an overload or even failure of future hydraulic structures that do not take CC into account during its design.

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Author Biographies

Eduardo Peixoto de Oliveira, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Área de Concentração em Recursos Hídricos Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

Engenheiro Civil graduado pela Universidade Federal de Pelotas. Mestrando em Engenharia Ambiental na área de Recursos Hídricos pela universidade Federal do Espirito Santo. Graduação sanduíche no Reino Unido (London South Bank University) durante o ano de 2014, quando desenvolveu atividades de pesquisa na área de engenharia forense e conservação. Possui Curso Técnico em Agroindústria pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (2010). Atuou como voluntário em projetos de pesquisa e extensão durante a graduação nas áreas de recursos hídricos, mecânica dos solos e pavimentação. Possui experiência profissional na área de projetos e construção civil.

Tamara Leitzke Caldeira Beskow, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Pelotas (UFPel)

Possui graduação em Engenharia Hídrica (2014), mestrado em Recursos Hídricos (2016) e doutorado em Ciências com ênfase em Manejo e Conservação do Solo e da Água (2019). Atua, desde 2017, como docente do Centro de Engenharias da Universidade Federal de Pelotas, ministrando disciplinas para o curso de graduação em Engenharia Civil. Atua também, desde 2019, como docente permanente do PPG em Manejo e Conservação do Solo e da Água e do PPG em Recursos Hídricos, ambos da Universidade Federal de Pelotas, onde orienta discentes de mestrado e doutorado. Desenvolve atividades de pesquisa e extensão junto ao Grupo de Pesquisa em Hidrologia e Modelagem Hidrológica em Bacias Hidrográficas e ao Grupo de Pesquisa em Manejo de Solos de Terras Baixas e Altas da metade sul do RS.

Aryane Araújo Rodrigues, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Pelotas (UFPel)

Engenheira Hídrica graduada pela Universidade Federal de Pelotas. Atualmente é doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos (UFPel), e atua em pesquisas na área de hidrologia, hidrologia estatística, chuvas intensas, geoestatística e mudanças climáticas.

André Becker Nunes, Departamento de Meteorologia – Campus Universitário, Universidade Federal de Pelotas (UFPel)

Graduação em Meteorologia pela Universidade Federal de Pelotas (UFPEL) (2000), Mestrado em Meteorologia pela UFPEL (2002) na área de física da camada limite planetária e Doutorado em Meteorologia pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2008) na área de modelagem em micrometeorologia. Participação no Grupo de Mudanças Climáticas do CCST-INPE entre 2008 e 2009. Professor de ensino superior da Faculdade de Meteorologia da UFPEL desde novembro de 2009. Membro do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia (PPGMET) e do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos (PPGRH). Orientações de doutorado, mestrado e iniciação científica nas áreas de climatologia, mudanças climáticas, meteorologia sinótica, agrometeorologia e micrometeorologia. Co-orientações no Programa de Pós-Graduação em Agronomia (UFPEL), no Programa de Pós-Graduação em Sensoriamento Remoto (UFRGS) e Programa de Pós-Graduação em Meteorologia (UFSM). Chefe do Departamento de Meteorologia da UFPel (2010-2014). Tutor do Grupo PET-Meteorologia (2016-2021). Professor Associado do Departamento de Meteorologia da UFPEL. Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos da UFPEL desde 2022.

Tirzah Moreira Siqueira, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Pelotas (UFPel)

Professora na Universidade Federal de Pelotas (UFPel) desde 2014, membro permanente do Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais (PPGCAmb-UFPel) desde 2017, possui Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia pela Universidade Estadual do Rio Grande do Sul (2007), Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2010), Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2015), atuando principalmente nos seguintes temas: recursos hídricos, simulação estocástica, geoestatística, simulações água-solo, avaliação de impactos ambientais, avaliação de risco à saúde humana.

Samuel Beskow, Programa de Pós-Graduaç´ão em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Pelotas

Possui graduação em Engenharia Agrícola pela UFPel (2005), mestrado em Engenharia Agrícola (Irrigação e Drenagem) pela UFLA (2006) e doutorado em Engenharia Agrícola (Engenharia de Água e Solo) pela UFLA (2009) com período sanduíche de 1 ano na Purdue University (National Soil Erosion Research Laboratory), IN, EUA. Atua como professor e pesquisador junto ao CDTec/Engenharia Hídrica da UFPel desde 2010 na área de hidrologia e modelagem hidrológica. É bolsista de produtividade em pesquisa do CNPq (CA Engenharia Agrícola) desde 2015. É membro permanente do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos (Mestrado e Doutorado), do qual foi Coordenador nos seus primeiros 4 anos (2013-2017). Tem experiência na área de Recursos Hídricos, atuando principalmente nos seguintes temas: hidrologia, modelagem hidrológica, hidrologia computacional, monitoramento hidrológico, hidrologia urbana, hidrossedimentologia e SIG. Atualmente está trabalhando com modelos hidrológicos (LASH, HEC-HMS, SWAT, LISEM), hidrologia estatística local e regional, hidrologia urbana, inteligência artificial aplicada à hidrologia e no desenvolvimento de produtos tecnológicos voltados à hidrologia usando R, MATLAB e Python. É membro da equipe de desenvolvimento do modelo hidrológico Lavras Simulation of Hydrology (LASH) e dos softwares SYHDA, ArcLASH, Watershed Isochrones, GAM-IDF e WebSYHDA. Orienta e co-orienta alunos de mestrado e doutorado nas áreas de hidrologia e modelagem hidrológica. Coordenou/coordena projetos financiados pelos editais Universal (CNPq), ARD (FAPERGS), Pesquisador Gaúcho (FAPERGS) e Programa de Apoio a Núcleos Emergentes (FAPERGS). Em 2013 foi contemplado com o Prêmio Fundação Bunge Juventude 2013 ? Recursos Hídricos e Agricultura. Atua como revisor de diversos periódicos, tais como: Journal of Hydrology, Water Resources Management, Catena e Journal of Hydrologic Engineering.

Hugo Alexandre Soares Guedes, Programa de Pós-Graduaç´ão em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Pelotas

Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Juiz de Fora (2007). Mestrado (2009) e Doutorado (2013) em Engenharia Agrícola (Recursos Hídricos e Ambientais) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV). Atualmente é Professor Associado I da Universidade Federal de Pelotas (Centro de Engenharias - Engenharia Civil), atuando nas áreas de Hidráulica, Sistemas Urbanos de Água e Drenagem Urbana. Membro permanente do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos - PPGRH (Mestrado e Doutorado) da UFPel. Foi coordenador adjunto (2019-2021) do referido programa. Pesquisador inserido nos Grupos de Pesquisa cadastrados no CNPq: Planejamento e Manejo Integrado dos Recursos Hídricos para o Desenvolvimento Sustentável da Agricultura (UFV), Hidrologia e Modelagem Hidrológica em Bacias Hidrográficas (UFPel), Rede Temática de Bio-óptica Aquática (UFPel) e Análise Ambiental (UFPel). Revisor de periódicos nacionais e internacionais, tais como: Water Resources Management, Remote Sensing, Annual Research & Review in Biology, Revista Mineira de Recursos Hídricos, Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Environmental Monitoring and Assessment, Revista Ambiente & Água, Engenharia Agrícola, Ciência Rural, Engenharia Sanitária e Ambiental, Revista Brasileira de Recursos Hídricos e Revista Brasileira de Ciências Ambientais. Membro da Associação Brasileira de Recursos Hídricos (ABRH). Concluiu orientações e co-orientações de alunos de graduação, mestrado e doutorado (UFPel e UFV) nas áreas de Recursos Hídricos e Meio Ambiente. Atualmente, suas linhas de pesquisa concentram-se na modelagem da qualidade de água em bacias hidrográficas, dispersão de poluentes em ambientes aquáticos, autodepuração, modelagem hidrológica, sistemas de informações geográficas e sensoriamento remoto aplicado aos recursos hídricos, planejamento e gestão sustentável dos recursos hídricos e modelagem ecológica em ecossistemas aquáticos.

References

ABDULLA, F. A.; LETTENMAIER, D. P.; LIANG, Xu. Estimation of the ARNO model baseflow parameters using daily streamflow data. Journal of Hydrology, v. 222, n. 1-4, p. 37-54, 1999.

ANDERSON, T. W.; DARLING, D. A. A test of goodness of fit. Journal of the American statistical association, v. 49, n. 268, p. 765-769, 1954.

BACK, A. J. Aplicação de análise estatística para identificação de tendências climáticas. Pesquisa agropecuária brasileira, v. 36, n. 5, p. 717-726, 2001.

BERTONI, J.C.; TUCCI, C.E.M. Precipitação, 3. Ed. In: TUCCI et al. (Orgs). Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre: Ed UFRGS/ABRH, 2004. p. 177-241.

BERLATO, M. A.; CORDEIRO, A. P. A. Sinais de mudanças climáticas globais e regionais, projeções para o século XXI e as tendências observadas no Rio Grande do Sul: uma revisão. Agrometeoros, v. 25, n. 2, p. 273-302, 2017.

BESKOW, S.; MELLO, C. R.; NORTON, L. D.; DA SILVA, A. M. Performance of a distributed semi-conceptual hydrological model under tropical watershed conditions. Catena, v. 86, n. 3, p. 160-171, 2011.

BESKOW, S.; CALDEIRA, T. L.; DE MELLO, C. R.; FARIA, L. C.; GUEDES, H. A. S. Multiparameter probability distributions for heavy rainfall modeling in extreme southern Brazil. Journal of Hydrology: Regional Studies, v. 4, p. 123-133, 2015.

BLAKELY, E.J. Urban Planning for Climate Change. Lincoln Institute of Land Policy Working Paper, 25p, 2007.

BEN-ZVI, A. Rainfall intensity–duration–frequency relationships derived from large partial duration series. Journal of Hydrology, v. 367, n. 1-2, p. 104-114, 2009.

CABALLERO, C. B.; OGASSAWARA, J. F.; DORNELES, V. R.; NUNES, A. B. A precipitação pluviométrica em Pelotas/RS: tendência, sistemas sinóticos associados e influência da ODP. Revista Brasileira de Geografia Física, v. 11, n.4, p. 1429-1441, 2018.

CALDEIRA, T. L.; BESKOW, S.; MELLO, C. R.; VARGAS, M. M.; GUEDES, H. A. S.; FARIA, L. C. Daily rainfall disaggregation: an analysis for the Rio Grande do Sul State. Scientia Agraria (Online), v. 16, p. 1-21, 2015.

CETESB. COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL. Drenagem urbana: manual de projeto. São Paulo, 476 p, 1979.

CHOU, S. C.; LYRA, A.; MOURÃO, C.; DERECZYNSKI, C.; PILOTTO, I.; GOMES, J.; BUSTAMANTE, J.; TAVARES, P.; SILVA, A.; RODRIGUES, D.; CAMPOS, D.; CHAGAS, D.; SUEIRO, G.; SIQUEIRA, G.; NOBRE, P.; MARENGO, J. Evaluation of the Eta Simulations Nested in Three Global Climate Models. American Journal of Climate Change, 3, 438-454. 2014.

CHOU, S. C.; LYRA, A.; MOURÃO, C.; DERECZYNSKI, C.; PILOTTO, I.; GOMES, J.; BUSTAMANTE, J.; TAVARES, P.; SILVA, A.; RODRIGUES, D.; CAMPOS, D.; CHAGAS, D.; SUEIRO, G.; SIQUEIRA, G.; MARENGO, J. Assessment of Climate Change over South America under RCP 4.5 and 8.5 Downscaling Scenarios. American Journal of Climate Change,3, 512-527. 2014.

CHOW, V. T. Hydrologic determination of waterway areas for the design of drainage structures in small drainage basins. University of Illinois at Urbana Champaign, College of Engineering. Engineering Experiment Station., 1962.

DUAN, Q.; SOROOSHIAN, S.; GUPTA, V. K. Effective and efficient global optimization for conceptual rainfall-runoff models. Water Resources Research , v. 28, n. 4, pp. 1015–1031, 1992.

DAMÉ, R. D. C.; TEIXEIRA, C. F. A.; MOURA, C.; MACHADO, R.; BESKOW, S. Análise do impacto de um evento de precipitação ocorrido na cidade de Pelotas/RS. Revista de Ciências Agro-Ambientais, v. 3, p. 15-25, 2005.

DAMÉ, R. C. F.; TEIXEIRA, C. F. A.; TERRA, V. S. S.; ROSSKOFF, J. L. Hidrograma de projeto em função da metodologia utilizada na obtenção da precipitação. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v. 14, n. 1, p. 46-54, 2010.

GAN, T.Y.; BIFTU, G.F. Automatic calibration of conceptual rainfall-runoff models: optimization algorithms, catchment conditions, and model structure. Water Resources Research 32 (12), 3513–3524. 1996.

IBGE. Disponível em: < https://cidades.ibge.gov.br/brasil/rs/pelotas/panorama >. Acesso em 10 de Fev. 2021.

INMET. Disponível em: < https://portal.inmet.gov.br/normais >. Acesso em 12 de Fev. 2021.

IPCC, 2021. Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press.

KENDALL, M. G. Rank Correlation Methods. 4th ed. London: Charles Griffin, 1975.

LYRA, A.; TAVARES, P.; CHOU, S. C.; SUEIRO, G.; DERECZYNSKI, C.P.; SONDERMANN, M.; SILVA, A.; MARENGO, J.; GIAROLLA, A. Climate change projections over three metropolitan regions in Southeast Brazil using the non-hydrostatic Eta regional climate model at 5-km resolution. Theoretical and applied climatology, v. 132, n. 1, p. 663-682, 2017.

MARENGO, J. A.; CHOU, S. C.; KAY, G.; ALVES, L. M.; PESQUERO, J. F.; SOARES, W. R.; SANTOS D. C.; LYRA A. ́ A.; SUEIRO G.; BETTS R.; CHAGAS D. J.; GOMES J. L.; BUSTAMANTE J. F.; TAVARES P. . Development of regional future climate change scenarios in South America using the Eta CPTEC/HadCM3 climate change projections: climatology and regional analyses for the Amazon, São Francisco and the Paraná River basins. Climate dynamics, v. 38, n. 9-10, p. 1829-1848, 2012.

MELLO, C.R.; SILVA, A.M.; BESKOW, S. Hidrologia de superfície: princípios e aplicações. 2. ed. - Lavras: UFLA, 531p, 2020.

MANN, H. B. Non-parametric test against trend. Econometrica: Journal of the econometric society, p. 245-259, 1945.

OLIVEIRA, G. G.; PEDROLLO, O. C.; CASTRO, N. M. R. As incertezas associadas às condições climáticas obtidas pelo modelo ETA CPTEC/HADCM3: Avaliação comparativa entre os dados simulados e observados de precipitação, evapotranspiração e vazão na bacia hidrográfica do rio Ijuí, Brasil. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 30, n. 1, 101 - 121, 2015.

RAMOS, A. M. Influência das mudanças climáticas devido ao efeito estufa na drenagem urbana de uma grande cidade. 160f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Recife, 2010.

REBOITA, M.S.; GAN, M.A.; DA ROCHA, R.P.; AMBRIZZI, T. 2010. Regimes de Precipitação na América do Sul: Uma Revisão Bibliográfica. Revista Brasileira de Meteorologia, v.25, n.2, 185 - 204, 2010.

SALDANHA, C. B.; COLLISCHONN, W.; MARQUES, M.; STEINMETZ, S.; DE ALMEIDA, I. R.; JÚNIOR, C. R. Evento de chuva intensa de janeiro de 2009 sobre a Região de Pelotas-RS. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 17, p. 255-265, 2012.

SAMPAIO, G.; SILVA DIAS, P. L. Evolução dos modelos climáticos e de previsão de tempo e clima. Revista USP. v.2, n.103, p.41–54, 2014.

SCHARDONG, A.; SRIVASTAV, R. K.; SIMONOVIC, S. P. Atualização da equação intensidade-duração-frequência para a cidade de São Paulo sob efeito de mudanças climáticas. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 19, n. 4, p. 176-185, 2014.

TEIXEIRA, M.S.; SATYAMURTY, P. 2007. Dynamical and synoptic characteristics of heavy rainfall episodes in southern Brazil. Monthly Weather Review, v. 135, n. 2, p. 598-617, 2007.

THYER, M.; KUCZERA, G.; BATES, B. C. Probabilistic optimization for conceptual rainfall – runoff models: A comparison of the shuffled complex evolution and simulated annealing algorithms. Water Resources Research. Vol. 35 No. 3, pp. 767-773. 1999.

TUCCI, C. E. M. Impactos da variabilidade climática e uso do solo sobre os recursos hídricos. Fórum Brasileiro de Mudanças Climáticas: Câmara Temática de Recursos Hídricos, Brasília, 150p, 2002.

WESCHENFELDER, A. B.; KLERING, E. V.; ALVES, R. de C. N.; PINTO, É. J. de A. Geração de Curvas IDFs para Cenários Projetados na Cidade de Porto Alegre/RS. Revista Brasileira de Meteorologia. São Paulo, v. 34, n. 2, p. 201-216, 2019.

YESILKÖY, S.; SAYLAN, L. Assessment and modelling of crop yield and water footprint of winter wheat by aquacrop. Italian Journal of Agrometeorology, n. 1, p. 3-14, 2020.

ZILLI, M. T.; CARVALHO, L. M.; LIEBMANN, B.; SILVA DIAS, M. A. A comprehensive analysis of trends in extreme precipitation over southeastern coast of Brazil. International Journal of Climatology, v. 37, n. 5, p. 2269-2279, 2017.

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Published

20/12/2023

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Oliveira, E. P. de, Beskow, T. L. C., Rodrigues, A. A., Nunes, A. B., Siqueira, T. M., Beskow, S., & Guedes, H. A. S. (2023). Impact of climate projections on Intensity-Duration-Frequency relationships of heavy rainfall in Pelotas/RS. Brazilian Journal of Climatology, 33(19), 604–630. https://doi.org/10.55761/abclima.v33i19.16691

Issue

Vol. 33 (2023)

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