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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74181
Tipo: | Tese |
Título: | Analysis of the dynamics and complexity of rainfalland streamflowtime series in Ceará, Brazil: integrating chaos theory, information theory, machine learningand stochastic approaches |
Título em inglês: | Analysis of the dynamics and complexity of rainfalland streamflowtime series in Ceará, Brazil: integrating chaos theory, information theory, machine learningand stochastic approaches |
Autor(es): | Rolim, Larissa Zaira Rafael |
Orientador: | Souza Filho, Francisco de Assis de |
Palavras-chave: | Previsão de vazão;Caos determinístico;Medidores de fluxo;Recursos hídricos - Gerência;Gerenciamento de recursos hídricos;Complexidade computacional;Análise de séries temporais;Hidrometeorologia;Aprendizado de máquina;Aprendizado do computador;Precipitação (Meteorologia) - Previsão |
Data do documento: | 2023 |
Citação: | ROLIM, Larissa Zaira Rafael. Analysis of the dynamics and complexity of rainfalland streamflowtime series in Ceará, Brazil: integrating chaos theory, information theory, machine learningand stochastic approaches. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. |
Resumo: | Situações que são inicialmente simples e fáceis de entender em detalhes podem se tornar complicadas devido à presença do caos. Empregando uma nova combinação de métodos não lineares, teoria do caos e teoria da informação, desafia-se o paradigma determinístico/estocástico convencionalmente utilizado na dinâmica das variáveis hidrológicas. O objetivo é oferecer uma compreensão mais robusta da complexidade e do caos subjacentes a esses fenômenos e aprimorar a capacidade de previsão dessas séries temporais. A primeira fase da pesquisa concentrou-se na detecção do caos determinístico usando métodos não lineares e de teoria do caos. Os resultados revelaram que mais de 70% das series temporais de chuva e 80% das vazões apresentaram sinais de caos em escalas de tempo mensais, utilizando a dimensão de correlação. No entanto, a detecção de séries caóticas diminuiu à medida que as escalas de tempo aumentaram. A avaliação do maior expoente de Lyapunov indicou uma presença mais forte de caos nas vazões do que nas chuvas, sugerindo que as estações de chuva com caos determinístico têm períodos de previsibilidade mais longos do que seus equivalentes de vazões. Essas descobertas têm implicações cruciais para o gerenciamento de recursos hídricos e o desenvolvimento de planos integrados, especialmente considerando as limitações inerentes às previsões de longo prazo de vazão.Asegunda análise utilizou métodos de teoria da informação, especificamente a entropia multiescala (MSE), para aprofundar o entendimento da complexidade das séries temporais. A análise de MSE indicou que as vazões exibem menor entropia (maior previsibilidade) em escalas de tempo menores, o que significa menor complexidade. Notavelmente, foi observada uma diminuição distinta na complexidade em metade das estações de precipitação, enquanto duas estações de vazão na região sudeste mostraram um aumento da entropia, sugerindo maior complexidade nessas séries temporais específicas. Essas descobertas destacam a importância de compreender a dinâmica hidrológica, pois a complexidade dessas séries varia espacial e temporalmente. Especificamente, a parte noroeste do estado, que é considerada mais complexa em termos de chuva e vazão. A complexidade e o comportamento caótico observados no regime hidrológico do Ceará desempenham um papel vital nos recursos hídricos. Aproveitando os resultados da detecção do caos, a terceira fase do estudo utilizou 20 séries temporais de precipitação que mostraram caos determinístico como dados de entrada para modelos de aprendizado de máquina. Os resultados mostraram que os modelos de Máquina de Vetor de Suporte e Floresta Aleatória se destacaram na previsão, entretanto, cada modelo foi adaptado a padrões de chuva únicos em diferentes locais. O desempenho bem-sucedido desses modelos demonstra o potencial de métodos orientados por dados na previsão da dinâmica das chuvas sem a necessidade de informações físicas extensivas. A fase final do estudo aplicou um arcabouço multi-modelo, incorporando seis modelos de previsão, para prever a vazão média anual de curto e longo prazo. Os modelos híbridos superaramos modelos independentes, sugerindo a eficácia dessemétodo para melhorar a precisão das previsões de longo prazo. No entanto, o estudo reconhece a limitação de excluir variáveis exógenas que podem influenciar a vazão, como chuva e índices climáticos. Em conclusão, esta tese de doutorado oferece um exame abrangente das complexidades inerentes às séries temporais de precipitação e vazão, além de fornecer uma metodologia inovadora para detectar, analisar e prever essas séries usando métodos não lineares, teoria do caos e teoria da informação. As descobertas da pesquisa têm um potencial significativo para melhorar a confiabilidade das previsões hidrológicas e aprimorar as estratégias de gerenciamento de recursos hídricos. |
Abstract: | Situations that are initially simple and easy to understand in detail can become complicated due to the presence of chaos. Employing a new combination of methods linear systems, chaos theory and information theory, the paradigm is challenged deterministic/stochastic conventionally used in the dynamics of hydrological variables. The aim is to provide a more robust understanding of the complexity and chaos underlying these phenomena and improve the predictability of these time series. the first phase of the research focused on the detection of deterministic chaos using non-linear methods and of chaos theory. The results revealed that more than 70% of the time series of rainfall and 80% of the flows showed signs of chaos in monthly timescales, using the correlation dimension. However, the detection of chaotic series decreased as the time scales increased. The evaluation of the highest exponent of Lyapunov indicated a stronger presence of chaos in flows than in rainfall, suggesting that rainy seasons with deterministic chaos have longer predictability periods than their counterparts of flows. These findings have crucial implications for resource management. water resources and the development of integrated plans, especially considering the limitations inherent in long-term flow forecasts. The second analysis used methods from theory of information, specifically the multiscale entropy (MSE), to deepen the understanding of the complexity of time series. The MSE analysis indicated that the flows exhibit lower entropy (greater predictability) on smaller timescales, which means less complexity. Notably, a distinct decrease in complexity was observed in half of the precipitation stations, while two discharge stations in the southeast region showed an increase in entropy, suggesting greater complexity in these time series specific. These findings highlight the importance of understanding hydrological dynamics, because the complexity of these series varies both spatially and temporally. Specifically, the part northwest of the state, which is considered more complex in terms of rainfall and flow.A complexity and chaotic behavior observed in the hydrological regime of Ceará play a vital role in water resources. Taking advantage of the detection results of the chaos, the third phase of the study used 20 precipitation time series that showed chaos deterministic as input data for machine learning models. The results showed that the Support Vector Machine and Random Forest models stood out in forecasting, however, each model was adapted to unique rainfall patterns in different locations. The successful performance of these models demonstrates the potential of methods data-driven forecasting of rainfall dynamics without the need for information extensive physics. The final phase of the study applied a multi-model framework, incorporating six forecasting models, to predict short-term and long-term average annual flow. The models hybrids outperformed independent models, suggesting the effectiveness of this method to improve the accuracy of long-term forecasts. However, the study recognizes the limitation of excluding exogenous variables that can influence the flow, such as rainfall and climate indices. In In conclusion, this doctoral thesis offers a comprehensive examination of the complexities inherent to time series of precipitation and flow, in addition to providing an innovative methodology for detect, analyze and predict these series using nonlinear methods, chaos theory and theory of information. The research findings have significant potential to improve the reliability of hydrological forecasts and improve water management strategies. water resources. |
Descrição: | 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. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74181 |
ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0000-0002-2550-1691 |
Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/0860248329200266 |
ORCID do Orientador: | https://orcid.org/0000-0001-5989-1731 |
Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/4988966386848759 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
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