Modelos espaciais e espaço-temporais para contagem de chuvas extremas na costa leste do Nordeste do Brasil

dc.contributor.advisorMorales, Fidel Ernesto Castro
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8552159154343151pt_BR
dc.contributor.authorLuz, Josiel Oliveira da
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-6128-9432pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6106700517329582pt_BR
dc.contributor.referees1Costa, Eliardo Guimarães da
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3160805152538713pt_BR
dc.contributor.referees2Cabral Júnior, Jorio Bezerra
dc.date.accessioned2025-03-20T20:17:05Z
dc.date.available2025-03-20T20:17:05Z
dc.date.issued2025-01-10
dc.description.abstractThe study of climatic extremes is essential for understanding the occurrence of natural disasters. It becomes even more important when the tools available for this analysis do not perform their functions accurately. This is the case with the extreme rainfall events that occur on the east coast of north-eastern Brazil, where estimates from the Tropical Rainfall Measuring Mission satellite (TRMM) and the Tropical Rainfall Measuring Mission satellite (TRMM) are not accurate. (TRMM) satellite and the Global Precipitation Measurement (GPM) satellite tend to underestimate extreme precipitation. This study therefore set out to analyse the performance of spatial and spatio-temporal models, available in the literature and implemented in the R language, when applied to extreme rainfall count data from the east coast of the Northeast, as well as comparing the performance of the models with the performance of the satellite for the study context. The aim is to build up the knowledge needed to support the development of mitigation measures for natural disasters. To this end, the study variable was the number of times the daily rainfall accumulated exceeded or was equal to the threshold of 30 millimetres over the course of a year, so that the counts were made per rainfall station. This variable is one of the 27 indices adopted by the World Meteorological Organisation (WMO) to study climate variations. The time series studied has records of daily rainfall accumulations from 36 stations during the period from 1991 to 2022. In addition to precipitation, it contains the latitude, longitude and altitude of the stations. The data was taken from the National Meteorological Institute (INMET) and the National Water and Sanitation Agency (ANA). With regard to the methodology adopted for the main parts of the study, the research began with a literature search for R language packages that worked with count data from a spatial and spatio-temporal perspective. After the search and before using the models, a descriptive analysis of the data was carried out, in which the means, medians, standard deviations, coefficients of variation and amplitudes by year and season were calculated. The investigation continued by analysing the study variable and the covariates latitude, longitude and altitude using scatter plots. Spatial and temporal dependencies were also analysed using variograms. Once the descriptive analysis had been completed, the cross-validation methodology was used to assess the performance of the models. The comparison between the models and the satellite data was made using mean square error, bias and correlation coefficient statistics. The results achieved in this research are encouraging. Extremes occur more frequently in regions close to the coast, with spatial dependence and temporal dependence for only a few stations. Furthermore, in a purely observational analysis, there is an indication of patterns of extremes repeating every 10 years from 1991 onwards. It was also possible to see that satellite data underestimates the extremes in the region studied, especially in the south of the area. Four packages implemented in the R language capable of working with the study data were identified in the literature, and six models from these packages were adjusted. The models obtained excellent results when compared to the satellite estimates. They proved to be better in most of the locations tested. They also show that they have great potential for generating more reliable data for analysing precipitation extremes.pt_BR
dc.description.resumoO estudo dos extremos climáticos é essencial para entender as ocorrências de desastres naturais. Ele se torna ainda mais importante quando as ferramentas disponíveis para essa análise não desempenham suas funções com precisão. Isso é o caso dos eventos extremos de precipitação que ocorrem na costa leste do Nordeste do Brasil, em que as estimativas do satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) e do satélite Global Precipitation Measurement (GPM) tendem a subestimar as precipitações extremas. Assim, o presente estudo propôs-se a analisar o desempenho de modelos espaciais e espaço-temporais, disponíveis na literatura e implementados na linguagem R, quando aplicados a dados de contagem de chuvas extremas da costa leste do Nordeste, bem como comparar os desempenhos dos modelos com o desempenho do satélite para o contexto de estudo. Visando, assim, construir conhecimentos necessários para embasar o desenvolvimento de medidas de mitigação a desastres naturais. Para isto, adotou-se como variável de estudo a quantidade de vezes que os acumulados diários de chuva ultrapassaram ou foram iguais ao limiar de 30 milímetros ao longo de um ano, de modo que as contagens foram feitas por estação pluviométrica. Essa variável é um dos 27 índices adotados pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) para o estudo de variações climáticas. A série temporal estudada possui registros dos acumulados diários de precipitação de 36 estações durante o período de 1991 a 2022. Além das precipitações, ela possui a latitude, a longitude e a altitude das estações. Os dados foram extraídos do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e da Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA). No que tange a metodologia adotada para as partes principais do estudo, a pesquisa teve início com uma busca na literatura de pacotes da linguagem R que trabalhassem com dados de contagem numa perspectiva espacial e espaço-temporal. Após a busca e antes de utilizar os modelos, foi feita uma análise descritiva dos dados, na qual foram calculadas as médias, as medianas, os desvios padrão, os coeficientes de variação e as amplitudes por ano e estação. A investigação teve continuidade com a análise entre a variável de estudo e as covariáveis latitude, longitude e altitude por meio de gráficos de dispersão. Ainda foram estudadas as dependências espacias e temporais através de variogramas. Uma vez concluída a análise descritiva, para ser possível avaliar o desempenho dos modelos, utilizou-se a metodologia da validação cruzada. A comparação entre os modelos e os dados de satélite ocorreu por meio das estatísticas de erro quadrático médio, viés e coeficiente de correlação, as quais foram calculadas com base nos dados interpolados e nos dados observados. Os resultados alcançados nessa pesquisa são relevantes. Os extremos ocorrem com maior frequência nas regiões próximas ao litoral, com dependência espacial e com dependência temporal apenas para algumas estações. Além disso, numa análise meramente observacional, nota-se um indicativo de padrões de extremos se repetindo a cada 10 anos a partir de 1991. Foi possível constatar também que os dados de satélite subestimam os extremos na região estudada, principalmente ao sul dessa área. Foram identificados na literatura 4 pacotes implementados na linguagem R capazes de trabalhar com os dados de estudo, bem como foram ajustados 6 modelos desses pacotes. Os modelos obtiveram excelentes resultados quando comparados com as estimativas de satélite. Demonstrando serem melhores na maioria das localidades testadas. Mostrando também que possuem grande potencial de gerarem dados mais confiáveis para a análise de extremos de precipitação.pt_BR
dc.identifier.citationLUZ, Josiel Oliveira da. Modelos espaciais e espaço-temporais para contagem de chuvas extremas na costa leste do Nordeste do Brasil. Orientador: Dr. Fidel Ernesto Castro Morales. 2025. 92f. Dissertação (Mestrado em Matemática Aplicada e Estatística) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/63121
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATEMÁTICA APLICADA E ESTATÍSTICApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectGeoestatísticapt_BR
dc.subjectModelos espaciais e espaço-temporaispt_BR
dc.subjectPacotes do Rpt_BR
dc.subjectExtremos climáticospt_BR
dc.subjectDados de satélitespt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICApt_BR
dc.titleModelos espaciais e espaço-temporais para contagem de chuvas extremas na costa leste do Nordeste do Brasilpt_BR
dc.typemasterThesispt_BR

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