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Type: Tese
Title: Multivariate analysis of spatio-temporal droughts: a way to advance drought planning and management
Title in English: Multivariate analysis of spatio-temporal droughts: a way to advance drought planning and management
Authors: Pontes Filho, João Dehon de Araújo
Advisor: Souza Filho, Francisco de Assis de
Co-advisor: Studart, Ticiana Marinho de Carvalho
Keywords: Análise multivariada;Extremos climáticos;Secas;Análise espaço-temporal
Issue Date: 2023
Citation: Pontes Filho, João Dehon de Araújo. Multivariate analysis of spatio-temporal droughts: a way to advance drought planning and management. 2023. 121 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: A seca é um fenómeno complexo e multifacetado que atravessa fronteiras políticas e geográficas. Contudo, é normalmente estudado utilizando séries temporais unidimensionais de variáveis de seca, ignorando as características multivariadas das secas e a sua interdependência. Por outro lado, aumentar a complexidade da análise da seca, considerando múltiplas variáveis, pode ser difícil de incorporar na gestão. Os impedimentos à utilização da análise multivariada neste contexto podem incluir altas barreiras de entrada para os analistas efetuarem análises multivariadas e dificuldade em apresentar os resultados aos decisores. Esta lacuna impede-nos de prever, planear e conseguir lidar adequadamente com os efeitos adversos das secas. Por conseguinte, encontrar um equilíbrio entre complexidade e simplicidade é algo que deve ser procurado. Nesta tese, defendo que a mudança para compreender a seca como um evento multivariado proporciona ganhos de informação suficientes para justificar a sua utilização no planeamento e gestão da seca, se for possível estabelecer uma ligação entre ciência e gestão. Para tal, estudo as relações de composição das secas em três dimensões diferentes do risco de seca: monitorização e alerta precoce, análise multivariada de frequência, e caracterização espaço-temporal. (i) As secas podem ser antecipadas e mitigadas utilizando um Sistema de Monitorização da Probabilidade de Seca Contínua (CDPMS). Este sistema utiliza a teoria da probabilidade condicional para monitorizar a probabilidade de ocorrência de seca durante a estação chuvosa, à medida que a estação chuvosa avança. A probabilidade de que a estação chuvosa seja definida como seca é atualizada todos os meses dentro deste período. O conceito de limiares de precipitação é utilizado no CDPMS para simplificar a análise da seca para os decisores. O modelo foi avaliado em Portugal Continental e demonstrou a capacidade de antecipar a seca, modelando as complexas estruturas de dependência entre a precipitação total e a precipitação dada. O quadro proposto pode ser utilizado para quantificar o risco de seca e mitigar os seus impactos; (ii) A análise tradicional da frequência da seca utiliza apenas uma característica da seca (por exemplo, a sua duração), que é uma representação incompleta do evento e ignora a dependência mútua. Além disso, ignora frequentemente a extensão espacial das secas ou considera-a sem uma relação com a gestão da seca. Foi proposto um quadro para realizar uma análise multivariada da frequência a nível espacial que pode ser relacionada com os impactos socioeconómicos. A seca de 2012-2018 no nordeste do Brasil foi estudada utilizando este quadro. Foi conseguida uma melhor avaliação do risco, considerando simultaneamente a duração e gravidade da seca a nível da região hidrográfica. Este quadro já está a ser utilizado como um instrumento de planeamento em novos planos de seca proativos que estão a ser construídos na região estudada. (iii) A caracterização multivariada das secas pode apresentar o seguinte dilema: simplificar excessivamente e ignorar outros lados do problema ou aumentar a complexidade e tornar difícil para os decisores ter uma visão clara do evento. Para melhorar a nossa compreensão dos efeitos compostos das relações espaço- temporais, propõe-se uma forma simples de analisar a dinâmica da seca no tempo e no espaço. São apresentadas análises intra-evento da dinâmica da seca e procura de padrões e relações entre as características da seca média. A primeira parte propõe a utilização da curva de crescimento, taxa de crescimento e aceleração para compreender como a seca evolui no tempo e no espaço dentro do evento da seca. A segunda analisa as características médias de todos os eventos de seca em busca de padrões e relações que possam ser úteis para os decisores no monitoramento e alerta precoce da seca. Verificou-se que a parte central da região nordeste desenvolveu secas mais longas, mais severa e mais generalizada no espaço do que qualquer outra área. Este resultado é importante para a preparação dos próximos eventos em que o centroide da seca se iniciar nesta região. Esta tese apresenta estratégias e quadros que podem aumentar os nossos conhecimentos sobre eventos de seca, considerando múltiplas características, mas ainda assim tornando-as simples e diretas para os decisores. Desta forma, podemos ligar a ciência e a gestão, fazendo avançar a nossa compreensão dos eventos de seca e melhorando a nossa capacidade de lidar com futuras secas.
Abstract: Drought is a complex, multifaceted phenomenon that crosses political and geographical borders. However, it is usually studied using one-dimensional time series of drought variables, ignoring the multivariate characteristics of droughts and their interdependence. On the other hand, increasing the complexity of drought analysis by considering multiple variables can be difficult to incorporate into management. Impediments to using multivariate analysis in this context may management. A framework to perform multivariate frequency analysis at a spatial level that can be related to socioeconomic impacts was proposed. The 2012-2018 drought in northeast Brazil was studied using this framework. Improved risk assessment was achieved by simultaneously considering drought duration and severity at the hydrographic region level. This framework is already being used as a planning instrument in new proactive drought plans that are being constructed in the studied region. (iii) The multivariate characterization of droughts can present the following dilemma: to oversimplify and ignores other sides of the problem or to increase complexity and make it difficult for decision-makers to have a clear view of the event. To improve our understanding of the compounding effects of spatio-temporal relationships it is proposed a simple way to analyze the drought dynamics over time and space. Intra-event analysis of drought dynamics and searching for patterns and relationship between mean drought characteristics are presented. The first part proposes the use of growth curve, growth rate and acceleration to understand how drought evolves in time and space inside the drought event. The second analyses the mean characteristics of all drought events in search for patterns and relationships that can be helpful for decision-makers in drought monitoring and early warning. It was found that central part of the Northeast region developed longer, more severe, and more widespread droughts than any other area. This result is important for preparing for upcoming events that presents its centroid’s onset at this region. This thesis presents strategies and frameworks that can increase our knowledge of drought events by considering multiple characteristics but still making them simple and straightforward for decision-makers. This way we can link science and management, advancing our understanding of drought events and improving our ability to cope with future droughts. include high entrance barriers for analysts to perform multivariate analysis and difficulty presenting the results to decision-makers. This gap prevents us from adequately forecasting, planning, and managing to cope with the adverse effects of droughts. Therefore, finding a balance between complexity and simplicity is something that must be sought. In this thesis, I argue that the shift to understanding drought as a multivariate event provides enough gain of information to justify its use in drought planning and management if it is possible to make a link between science and management. To do so, I study droughts' compounding relationships in three different dimensions of drought risk: monitoring and early warning, multivariate frequency analysis, and spatio-temporal characterization. (i) Droughts can be anticipated and mitigated using a Continuous Drought Probability Monitoring System (CDPMS). This system uses the conditional probability theory to monitor the occurrence probability of drought during the rainy season, as the rainy season advances. The likelihood that the rainy season is defined as drought is updated every month inside this period. The concept of precipitation thresholds is used in CDPMS to simplify the drought analysis for decision-makers. The model was assessed in mainland Portugal and demonstrated the capacity to anticipate drought by modeling the complex dependence structures between total and given precipitation. The proposed framework can be used to quantify the risk of drought and mitigate its impacts; (ii) Traditional drought frequency analysis uses only one characteristic of drought (e.g., the duration), which is an incomplete representation of the event and ignores mutual dependence. Also, it frequently ignores the spatial extent of droughts or considers it without a relationship with drought
Description: Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
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