Please use this identifier to cite or link to this item:
http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/40057
Type: | Dissertação |
Title: | Analysis of stationarity and low frequency variability of the streamflow time series from the national interconnected system (NIS) |
Authors: | Rolim, Larissa Zaira Rafael |
Advisor: | Souza Filho, Francisco de Assis de |
Keywords: | Recursos hídricos;Análise de séries temporais;Medidores de fluxo;Time series analysis;Stationarity;Hidden Markov model |
Issue Date: | 2019 |
Citation: | ROLIM, L. Z. R. Analysis of stationarity and low frequency variability of the streamflow time series from the national interconnected system (NIS). 2019. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)-Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | Uma abordagem comum na modelagem de séries temporais hidrológicas é a suposição de que a série é estacionária, embora essa hipótese tenha sido questionada devido aos impactos das mudanças climáticas e usos do solo motivados por ações antropogênicas. Desta forma, o presente trabalho pretende fazer um diagnóstico das séries temporais do Sistema Interligado Nacional (SIN) no Brasil, analisando a estacionariedade, tendência e modo de variação. Em seguida, foi realizada uma análise apenas da baixa frequência (16-32 anos), decomposta pela transformada de ondeleta, utilizando o índice padronizado de escoamento (SRI), o changepointe o Modelo de Markov Escondido para identificar os diferentes estados das vazões do reservatório de Sobradinho, a fim de entender os impactos da baixa frequência na série temporal completa e desenvolver um modelo de previsão. Foi utilizado um modelo autorregressivo e um HMM para prever o próximo estado da série temporal de baixa frequência. Primeiro, a estacionariedade foi analisada por testes estatísticos e testes de raiz unitária. Para avaliar a presença de tendência, foram utilizados os testes de Mann-Kendall e inclinação de Sen. Posteriormente, as séries temporais foram decompostas pela Decomposição Completa em Modos Empíricos por Conjunto com Ruído Adaptativo e Transformada de Ondeleta. Os resultados entre os testes estatísticos e de raiz unitária classificaram mais da metade das séries como não estacionárias. Foi avaliado que os testes de raiz unitária são mais indicados ao modelar séries com a presença de uma tendência. A análise com o changepoint mostrou um melhor resultado na identificação de eventos extremos de baixa frequência em relação ao SRI. Foi avaliada a função de distribuição cumulativa utilizando a séries temporal original e foi observado que as distribuições são diferentes para os anos classificaram os anos secos/úmidos, assim, a proposta de identificar os estados e prever o próximo estado foi justificada. Um modelo para previsão foi desenvolvido ajustando um modelo autorregressivo para a série temporal de baixa frequência, mas apresentou bons resultados apenas para previsão de 1 ano à frente. No modelo HMM, os resultados mostraram uma redução do período úmido entre os anos 2010-2016 e uma probabilidade crescente de um período normal foi verificada. A curto prazo, é possível identificar o próximo estado mais provável para o reservatório de Sobradinho usando o HMM, e este foi uma boa indicação em relação à série observada. Em conclusão, a maior parte das estações analisadas não são estacionária, embora ainda sejam modeladas desta forma, e a previsão HMM para as vazões do reservatório de Sobradinho provou ser uma ferramenta importante para auxiliar na previsão do próximo estado da variabilidade de baixa frequência, proporcionando um mecanismo para o gerenciamento e operação de reservatórios, especialmente para o deste estudo, devido à sua importância econômica para o setor hidrelétrico. |
Abstract: | A common approach in the hydrological time series modeling is the assumption that the series is stationary, although this belief has been questioned due to the impacts of climatic changes and land use change motived by anthropogenic actions. Thus, the present work intends to make a diagnosis of streamflow time series of the National Interconnected System (NIS) in Brazil analysing the stationary, trend and mode of variation. Then, the analysis is performed for the low frequency only (16-32 years), decomposed by the wavelet transform, and use the Standard Runoff Index (SRI), changepoint and a Hidden Markov Model (HMM) to identify the different states of the Sobradinho’s reservoir inflow, in order to understand the impacts of this frequency in the time series and develop a forecast model. It was used the Autoregressive model and a HMM to predict the next state in the low frequency time series. First, the stationarity was analyzed by statistical and unit root tests. In order to evaluate the presence of trend was used the Mann-Kendall and Sen’s slope tests. Then, the time series were decomposed by Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise and Wavelet Transform. Results between the statistical and unit root tests showed similar results for the stationarity analysis except for the south region and both types of test classified more than a half of the series as nonstationary. It was evaluated that the unit root tests are more indicated when modeling series with the presence of a trend. The analysis with the changepoint showed a better result in the identification of extreme events of the low frequency in relation to SRI due to its power to identify significant changes in the series statistics. It was evaluated the cumulative distribution function using the original time series and was observed that the they have different distributions for years classified as dry/wet years, thus, the proposal to identify the states and forecast the next state was justified. A forecasting model was developed adjusting an autoregressive model to the low frequency time series, however it presented good results for 1- year ahead forecast only. Regarding the HMM model, the results shown a reduction of the wet period between the years 2010-2016 and an increasing probability of a normal period was verified. For a short-term, it is possible to identify the next most probable state for the Sobradinho’s reservoir and the next state was a good indication compared to the historical time series using the HMM. In conclusion, most of the station gage analyzed are not stationary, although they are still model as such and the HMM forecast for Sobradinho’s reservoir inflow proved to be an important tool to assist in predicting the next state of the low frequency variability, thus, providing an mechanism to managing and operating reservoirs, especially for the one in this study due to its economic importance for the hydroelectric sector. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/40057 |
Appears in Collections: | DEHA - Dissertações defendidas na UFC |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
2019_dis_lzrrolim.pdf | 2,48 MB | Adobe PDF | View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.