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Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2022. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Define-se seca como a relação entre a duração de estiagem e seu impacto no balanço hídrico em uma bacia hidrográfica e, com base na análise das médias baixas da disponibilidade de água, pode ser classificada como uma seca: meteorológica, agrícola, hidrológica e socioeconômica. Os dados de precipitação e de evapotranspiração potencial utilizados nesta pesquisa foram obtidos pelas imagens dos satélites TRMM 3B43 e MODIS (MOD13Q1 e MOD16A2) para o cálculo dos Índices de Aridez (IA), de Precipitação Padronizada (IPP) e de Severidade de Seca (ISS). A partir desses dados foi possível avaliar o déficit hídrico anual e sazonal e compreender o comportamento da seca hidrológica na bacia hidrográfica do Alto Descoberto, Distrito Federal no período de dezenove anos de 2001 a 2019. Os objetivos principais desta dissertação foram analisar a sensibilidade da seca, quanto a sua resiliência, vulnerabilidade e exposição à seca utilizando o Google Earth Engine (GEE) e propor um monitoramento de detecção de mudanças por eventos hidrológicos extremos para melhorar a gestão integrada de recursos hídricos. Os resultados dos índices demonstraram que a seca na bacia nesta série temporal está classificada em moderada, com o seu limite de resiliência ultrapassado por ter uma crescente demanda hídrica e faz chamar a atenção quanto ao uso e ocupação da cobertura do solo da bacia, para evitar um estresse hídrico com medidas mais sustentáveis. Os índices IPP, ISS e IA foram eficazes para a análise da seca hidrológica e para compor um panorama da variabilidade do déficit hídrico regional. Drought is defined as the relationship between the duration and the impact on the water balance in a basin, which can be classified as meteorological, agricultural, hydrological and socioeconomic drought based on the analysis of low average water availability. Precipitation and potential evapotranspiration data used in this research were obtained from the images of TRMM 3B43 and MODIS (MOD13Q1 e MOD16A2) sensors to calculate the Aridity Index (AI), Standardized Precipitation Index (SPI) and Drought Severity Index (DSI). From these data it was possible to evaluate the annual and seasonal water deficit to understand the behavior of the hydrological drought in the Alto Descoberto Basin in Distrito Federal, Brazil, during a period of nineteen years, from 2001 to 2019. The main objectives of this research were to analyze the sensitivity of the drought due to its resilience, to its vulnerability and to its exposure to drought by using the Google Earth Engine (GEE); and as well as to propose a monitoring to detect changes brought about extreme hydrological events in a way to improve the integrated management of water resources. The index results showed that the basin is experiencing a moderate drought, with its resilience limit exceeded due to its high water demand and calls attention to the use and occupation of the basin’s soil cover, to avoid water stress with more sustainable measures. The SPI, DSI and AI indices proved effective for the analysis of hydrological drought and provided an overview of the variability of the regional water deficit.

The hydrological cycle, affected by climate change caused by the process of development and industrialization, has received great attention from the scientific community around the world, and with this, many studies have been carried out to show that changes in precipitation are becoming evident on a scale global. In addition, extreme events such as prolonged droughts, floods and landslides have caused social and environmental impacts in large urban areas, with flooding in highly waterproof surfaces being the most frequent ones, due to insufficient infrastructure in drainage systems. Therefore, this work aimed to analyze the trend in time series of the Standardized Precipitation Index (SPI) for the time scales of 1, 3, 6, 12, 24 and 48 months, using the Mann-Kendall test at the level 5% significance level. For this purpose, monthly precipitation data from the conventional meteorological station Recife (Curado), located in the state of Pernambuco, Brazil, between the period 1962 to 2019 were used. The results showed that for the time scales of 1 and 3 months there is no significant temporal trend, while significant negative trends were obtained for the other scales, which indicated an increase in drought severity. In relation to the frequencies of occurrences, an increase in the occurrence of dry periods is observed for long-term conditions (SPI-12, SPI-24 and SPI-48) and for wet periods an increase was observed only in the moderately humid category. El ciclo hidrológico, afectado por el cambio climático provocado por el proceso de desarrollo e industrialización, ha recibido una gran atención por parte de la comunidad científica de todo el mundo, y con ello se han realizado numerosos estudios que demuestran que los cambios en las precipitaciones se están haciendo evidentes en escala. global. Además, eventos extremos como sequías prolongadas, inundaciones y deslizamientos de tierra han causado impactos sociales y ambientales en grandes áreas urbanas, siendo las inundaciones en superficies altamente impermeables las más frecuentes, debido a la insuficiente infraestructura en los sistemas de drenaje. Por tanto, este trabajo tuvo como objetivo analizar la tendencia en series de tiempo del Índice de Precipitación Estandarizado (SPI) para las escalas de tiempo de 1, 3, 6, 12, 24 y 48 meses, utilizando la prueba de Mann-Kendall al nivel de significancia del 5%. nivel. Para ello, se utilizaron datos de precipitación mensual de la estación meteorológica convencional Recife (Curado), ubicada en el estado de Pernambuco, Brasil, entre el período 1962 a 2019. Los resultados mostraron que para las escalas de tiempo de 1 y 3 meses hay ninguna tendencia temporal significativa, mientras que se obtuvieron tendencias negativas significativas para las otras escalas, lo que indica un aumento en la severidad de la sequía. En cuanto a la frecuencia de ocurrencias, se observa un aumento en la ocurrencia de períodos secos para condiciones de largo plazo (SPI-12, SPI-24 y SPI-48) y para períodos húmedos se observó un aumento solo en la categoría moderadamente húmeda. O ciclo hidrológico, afetado por mudanças climáticas ocasionadas pelo processo de desenvolvimento e industrialização, tem recebido grande atenção da comunidade científica em todo o mundo, e com isso, muitos estudos foram realizados para mostrar que as mudanças na precipitação estão tornando-se evidentes em escala global. Além disso, os eventos extremos como estiagens prolongadas, inundações e deslizamentos têm causado impactos socioambientais nas grandes áreas urbanas, sendo os alagamentos em superfícies de alta impermeabilização os mais frequentes, devido a deficiência de infraestrutura nos sistemas de drenagem. Por conseguinte, neste trabalho objetivou-se analisar a tendência em séries temporais de Índice de Precipitação Padronizado (SPI) para as escalas de tempo de 1, 3, 6, 12, 24 e 48 meses, utilizando o teste de Mann-Kendall ao nível de significância de 5%. Para tanto, foram utilizados dados de precipitação mensal da estação meteorológica convencional Recife (Curado), localizada no estado de Pernambuco, Brasil, entre o período de 1962 a 2019. Os resultados apontaram que para as escalas de tempo de 1 e 3 meses não há tendência temporal significativa, enquanto tendências negativas significativas foram obtidas para as demais escalas, o que indicou aumento da severidade de seca. Em relação às frequências de ocorrências, é observado um aumento na ocorrência de períodos secos para condições de longo prazo (SPI-12, SPI-24 e SPI-48) e para os períodos úmidos foi observado aumento apenas na categoria moderadamente úmido.

Eutrophication is a global problem and an important cause of the ecological health degradation of aquatic ecosystems. The aim was to evaluate the effect of prolonged drought period (2012 to 2019) on the trophic state of two Brazilian semi-arid reservoirs, Boqueirão de Parelhas (BOQ) and Passagem das Traíras (TRA). The work was carried out according to a drought classification system, based on the Standardized Precipitation Index (SPI), with an aggregated timescale of 36 months, defining three periods. In the Period I, higher values of Secchi and lower values of turbidity, solids, nutrients and chlorophyll-a were registered, when compared to the other periods, mainly in BOQ. The principal component analyses of both reservoirs reveled a showed a temporal trend of the sample units according to the consequences of the prolonged drought. The results indicated changes in limnological variables due to the reduction of accumulated water volume, and they demonstrated that prolonged droughts impact the intensification of eutrophication in both systems. The trophic state of the BOQ reservoir was changed from mesotrophic to eutrophic as a consequence of the drought, while in TRA the eutrophic state remained, but with more intensified symptoms, with higher concentration values of nutrients, solids and algal biomass. RESUMO A eutrofização é um problema global e uma importante causa da degradação da saúde ecológica dos ecossistemas aquáticos. O objetivo foi avaliar o efeito do período prolongado de seca sobre o estado trófico de dois reservatórios semiáridos brasileiros, Boqueirão de Parelhas (BOQ) e Passagem das Traíras (TRA). O trabalho foi realizado de acordo com um sistema de classificação de secas, com base no Índice Padronizado de Precipitação (SPI), com uma escala de tempo agregada de 36 mese definindo três períodos. No Período I, maiores valores de Secchi e menores valores de turbidez, sólidos suspensos totais, fósforo total e clorofila-a foram registrados quando comparados aos demais períodos, principalmente em BOQ. As análises de componentes principais de ambos os reservatórios revelaram uma tendência temporal das unidades amostrais de acordo com as consequências da seca prolongada. Os resultados indicaram mudanças nas variáveis limnológicas devido à redução do volume de água, e demonstraram que secas prolongadas impactam na intensificação da eutrofização em ambos sistemas. O estado trófico do BOQ foi alterado de mesotrófico para eutrófico como uma consequência da seca, enquanto que em TRA o estado eutrófico permaneceu, mas com os sintomas intensificados, com altas concentrações de nutrientes, sólidos e biomassa algal.

This work evaluated dry and rainy conditions in the subregions of the São Francisco River Basin (BHSF) using the Standardized Precipitation Index (SPI) and Markov chains. Each subregion of the BHSF has specific physical and climatic characteristics. The data was obtained from the National Water Agency (ANA), collected by four pluviometric stations (representative of each subregion), covering 46 years of data, from 1970 to 2015. The SPI was calculated for the time scales of six and twelve months and transition probabilities were obtained using the Markov chain. Transition matrices showed that, at both scales, if the climate conditions were severe drought or rainy, switching to another class would be unlikely in the short term. Correlating this information with the probabilities of the stationary distribution, it was possible to find the regions that are most likely to be under rainy or dry weather in the future. The recurrence times calculated for the stations that belong to the semi-arid region were smaller when compared to the value of the return period of the representative station of Upper São Francisco that has higher levels of precipitation, confirming the predisposition of the semi-arid region to present greater chances of future periods of drought. Resumo Este trabalho objetivou avaliar períodos secos e chuvosos nas sub-regiões da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco (BHSF) utilizando o Índice de Precipitação Padronizado (SPI) e cadeias de Markov. Cada sub-região da BHSF possui características físicas e climáticas específicas, dessa forma foram utilizadas quatro estações pluviométricas contendo dados com 46 anos, de 1970 a 2015, obtidas na Agência Nacional de Águas (ANA), representativas de cada sub-região. O SPI foi calculado para as escalas de tempo de seis e doze meses e as matrizes de probabilidades de transição foram obtidas utilizando as cadeias de Markov. As matrizes de transição mostraram que, em ambas as escalas, caso a condição climática estivesse em classe de seca severa ou chuvosa, a mudança para outra classe seria pouco provável a curto prazo. Correlacionando esta informação com as probabilidades da distribuição estacionária, foi possível encontrar as regiões que têm maiores possibilidades de no momento futuro estar sob clima chuvoso ou de seca. Os tempos de recorrência calculados para as estações inseridas no semiárido foram menores quando comparado com o valor do tempo da estação representativa do Alto São Francisco que possui maiores níveis de precipitação, confirmando a predisposição do semiárido em apresentar maiores chances de períodos futuros de seca.

The large number of wildfires which hits the National Park of Itatiaia (PNI) is a reason of preoccupation, because they change the landscape and cause flora and fauna lost. Thus, it becomes important to create a methodology that helps to identify factors that influence wildfire susceptibility. The objective of this work is to evaluate geomorphological variables (slope curvature, global solar radiation, slope and altitude) and weather (rainfal) in the wildfire events. To reach the objective a Digital Elevation Model (DEM) generated from topographic maps was used, and rainfall data from three weather stations present in PNI or around. This DEM enabled the creation of geomorphological variables, and rainfall data enabled the calculation of the Standardized Precipitation Index (SPI). The values obtained were compared with the Reports of Fire Occurrence (ROI), and the results show that most significant geomorphologies variables were the slope curvature and global solar radiation. The SPI index introduced new temporal indicative to better understand the behavior of the occurrence of wildfires in PNI. O grande número de incêndios florestais que atingem o Parque Nacional do Itatiaia (PNI) é motivo de preocupação, pois eles modificam a paisagem e acarretam perda de flora e fauna. Desta forma, torna-se importante a criação de metodologia que ajude na identificação de fatores que influenciam a susceptibilidade a incêndios. Este trabalho tem como objetivo avaliar variáveis geomorfológicas (forma da encosta, radiação solar global, declividade e altitude) e meteorológicas (chuva) na ocorrência de incêndios. Para atingir o objetivo foi utilizado o Modelo Digital de Elevação (MDE) gerado a partir de cartas topográficas e dados pluviométricos de três estações presentes no PNI e arredores. Este MDE possibilitou a criação das variáveis geomorfológicas, e os dados pluviométricos possibilitaram o cálculo do Standardized Precipitation Index (SPI). As variáveis obtidas foram comparadas com os Relatórios de Ocorrência de Incêndio (ROI), e os resultados mostram que as variáveis geomorfológicas mais significativas foram a forma da encosta e a radiação solar global. O índice SPI introduziu novos indicativos temporais para o melhor entendimento do comportamento da ocorrência dos incêndios florestais no PNI.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os Desastres Naturais (DN) são estabelecidos pela ocorrência de fenômenos naturais em áreas ou regiões habitadas, e caracterizados pelo fato de seu impacto causar danos à população afetada. Caso não apresente danos à sociedade ou aconteça em áreas não ocupadas, o fenômeno é considerado apenas um evento natural. As ocorrências de Desastres Naturais originam grandes problemas e prejuízos para as sociedades afetadas, além de ocasionar grandes perdas humanas. O objetivo do trabalho é realizar uma análise das ocorrências dos DN nas dezenove microrregiões do estado do Rio Grande do Norte, no período de1991 a2012, traçando um paralelo com os registros ao longo do tempo dos limiares de precipitação. Utilizou-se de técnicas estatísticas, como análise espacial para a construção de mapas temáticos de forma a identificar áreas com maior risco, e o teste de qui-quadrado para verificar associações entre as variáveis. O Índice de Precipitação Padronizado (SPI) foi considerado, objetivando evidenciar as condições meteorológicas das áreas analisadas no momento da publicação dos Decretos de Estado de Emergência ou Calamidade Pública. Os resultados demonstraram um aumento expressivo de 98,7% nos registros das ocorrências para o Estado, uma vez que nos 11 (onze) primeiros anos foram registrados 535 ocorrências e nos 11 anos subsequentes foram registrados 1.063, com um total de 2.447.683 pessoas afetadas por DN. Para o Estado, os fenômenos que apresentaram maior frequência foram: as estiagem/seca (81,1%), as enxurradas e as inundações (18,9%), provenientes das relações de fatores com características entre o natural e social. Os dados apresentaram relações estatisticamente significativas entre as ocorrências para os dois períodos em análise, bem como sua relação com a precipitação média acumulada anual. A compreensão deste comportamento ao longo do tempo levará as autoridades competentes, a identificar as condições que se encontra a sociedade, possibilitando no direcionamento de ações e políticas públicas eficazes na gestão para a mitigação do risco a desastres naturais. The Natural Disasters (DN) are established by the occurrence of natural phenomena in areas or regions inhabited, and characterized by the fact that its impact damage to the affected population. If undamaged to the company or happen in areas not occupied, the phenomenon is considered just a natural event. The Natural Disaster occurrences originate great problems and damage to the affected societies besides causing great human losses. The objective is to analyze the occurrence of DN in nineteen micro-regions of Rio Grande do Norte state, in the period 1991-2012, drawing a parallel with the records over time of rainfall thresholds. We used statistical techniques, as a spatial analysis to build thematic maps to identify areas with increased risk, and the chi-square test to verify associations between variables. The Standardized Precipitation Index (SPI) was considered, aiming to highlight the weather conditions of the areas analyzed at the time of publication of Decree of the State of Emergency and Public Calamity. The results showed a significant increase of 98,7% in the records of events for the state, once in eleven (11) years were first registered 535 occurrences and the subsequent 11 years were recorded 1.063, a total of 2.447,683 people affected by DN. For the state, the phenomena that most frequently presented were: the drought / dry (81,1%), flash floods and floods (18,9%), from the relations of factors with characteristics between the natural and social. The data show statistically significant relationships between the occurrences for the two periods, and its relationship with the annual cumulative average rainfall. Understanding this behavior over time will lead the competent authorities, to identify the conditions that is society, enabling the direct actions and effective public policies in the management to mitigate the risk of natural disasters.

Drought variability analysis is of utmost concern for planning and efficiently managing water resources and food security in any specific area. In the current study, drought spell occurrence has been investigated in the Balochistan province of Pakistan during the past four decades (1981-2020) using standardized precipitation index (SPI), reconnaissance drought index (RDI), and precipitation deciles (PD) at an annual timescale. Precipitation and temperature data collected from 13 synoptic meteorological stations located in Balochistan were used to calculate the SPI, the RDI, and the PD for calculation of drought severity and duration. Based on these indices, temporal analysis shows adverse impacts of drought spells in Nokkundi during 1991-1993, in Barkhan, Dalbandin, Quetta stations during 1999-2000, whereas Barkhan, Dalbandin, Lasbella, Sibi during 2002-2003, Zhob during 2010-2011, Kalat and Khuzdar during 2014-2015, and Panjgur during 2017-2018. Also, the aridity index for each station was calculated based on the UNEP method shows that major part of Balochistan lies in the arid zone, followed by the hyper-arid in the southwestern part and the semi-arid zones in the northeastern part of the province. SPI and RDI results were found more localized than PD, as PD shows extensive events. Furthermore, principal component analysis shows a significant contribution from all the indices. For SPI, RDI, and PD, the first three principal components have more than 70% share, contributing 73.63%, 74.15%, and 72.30% respectively. By integrating drought patterns, long-term planning, and preparedness to mitigate drought impacts are only possible. The RDI was found more suitable and recommended in case of temperature data availability. Resumo A análise da variabilidade da seca é de extrema importância para o planejamento e gestão eficiente dos recursos hídricos e da segurança alimentar em qualquer área específica. No estudo atual, a ocorrência de períodos de seca foi investigada na província do Baluchistão, no Paquistão, durante as últimas quatro décadas (1981-2020), usando índice de precipitação padronizado (SPI), índice de seca de reconhecimento (RDI) e decis de precipitação (PD) em uma escala anual. Dados de precipitação e temperatura coletados de 13 estações meteorológicas sinóticas localizadas no Baluchistão foram usados para calcular o SPI, o RDI e o PD para cálculo da severidade e duração da seca. A análise temporal mostra os impactos adversos dos períodos de seca em Nokkundi durante 1991-1993 e na maior parte da província de 1999 a 2004. Além disso, o índice de aridez para cada estação foi calculado com base no método do PNUMA. Os resultados de SPI e RDI foram encontrados mais localizados do que PD, pois PD apresenta eventos extensos. Além disso, a análise de componentes principais mostra uma contribuição significativa de todos os índices. Para SPI, RDI e PD, os três primeiros componentes principais têm mais de 70% de participação, contribuindo com 73,63%, 74,15% e 72,30%, respectivamente. O planejamento e a preparação de longo prazo para mitigar os impactos da seca só são possíveis por meio da integração dos padrões de seca.