PhD Dissertation – Geography and Sustainable Development

PhD Dissertation Reference

DEBORTOLI, Nathan dos Santos. O regime de chuvas na Amazônia Meridional e sua relação com o desmatamento. 2013. 217 f., il. Tese (Doutorado em Desenvolvimento Sustentável)—Universidade de Brasília, Brasília, 2013.

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RESUMO

As zonas de transições da Amazônia e do Cerrado são grandes produtoras nacionais de commodities e detentoras de vasta biodiversidade. Essas regiões são dependentes da água gerada por meio de diversos mecanismos físicos-climáticos presentes na biosfera. Apesar da importância da região para a agricultura, os ecossistemas e o clima regional do Brasil, poucos estudos têm explorado e analisado em profundidade a rede de estações pluviométricas da Amazônia Meridional. Com o intuito de suprir a lacuna, este estudo analisou 207 estações pluviométricas da Agência Nacional das Águas (ANA) no Sul da Amazônia e no Cerrado no período de 1970-2010, utiizando-se dos testes estatísticos não-paramétricos de Pettitt que identifica rupturas nas séries cronológicas pluviométricas, o teste de Mann-Kendall que detecta tendências anuais e sazonais dos índices pluviométricos, e uma análise de regressão linear que identifica tendências sutis de acréscimo ou decréscimo nas precipitações. O teste de Pettitt indicou um total de 16% de rupturas nas séries cronológicas de chuva enquanto que o teste sazonal/mensal de Mann-Kendall coloca em evidência que 41% das estações apresentam tendências negativas principalmente nas estações de transição (início e fim da estação chuvosa). Já a análise de regressão linear indicou que 63% dos dados apresentam tendências negativas nas precipitações. Como complemento também foram identificadas as datas do início e fim da estação chuvosa. Esta se deu por meio da adaptação de método estatístico atrelado às análise de tendências de Mann-Kendall e de regressão linear. Os resultados sugerem fortes contrastes entre o Sul Amazônico e o Cerrado. Esta análise cronológica do período chuvoso indicou o atraso significativo no início da estação chuvosa para 84% das estações, e um fim prematuro em 76%, além da redução do período em 88% dos casos. Por fim, foi desenvolvido, examinado e verificado a correlação de dados climáticos e cobertura do solo através da análise climática oriunda da regressão linear, e da classificação do uso da terra adquiridos do satélite LANDSAT 5 a partir de uma perspectiva temporal. A correlação dos dados delimitados por zonas tampão de 1-50km e divididos em 3 períodos cronológicos anteriores a 1997, entre 1997-2010 e o acumulado de 2010 contemplam o total de floresta. As análises indicam que os padrões de precipitação local não são correlacionados diretamente a cobertura florestal. No entanto, a metodologia de zonas tampão sugere que quanto maiores as áreas de floresta, maiores são as probabilidades destas influenciarem as precipitações, ao contrário de pequenos fragmentos florestais como indicado nos resultados das correlações até 50km. Apesar dos dados climáticos não mostrarem correlação significativa com os dados da cobertura florestal, as análises dos testes de Pettit, Mann-Kendall, regressão linear e de identificação do período chuvoso vão em direção de descobertas recentes com foco nos modelos de circulação em larga-escala, que incluem a cobertura florestal como variável. Esta disparidade nos resultados nos levam a duas hipóteses: uma de que a correlação dos dados pluviométricos não existe localmente, e outra, de que a ferramenta utilizada não consegue captar a correlação, fortalecendo as análises dos testes estatísticos climáticos, que indicam uma superposição e ou apontam para uma existência de correlação da pluviometria com a cobertura florestal, embora não a demonstre explicitamente.

ABSTRACT

The transition zones of the Southern Brazilian Amazon detain vast biodiversity and are major producers of commodities. Its production is extremely dependent on water generated through biophysical and biochemical elements in the local and regional biosphere. This process is known as the forest “water pump” mechanism. Deforestation as a result could impact the water availability and accessibility enforcing the forest and its inhabitants to a higher degree of stress, producing significant losses in ecosystem services thus diminishing the capacity to cope with drier climatic conditions. Despite the region’s importance for Brazil’s agriculture and environment, only few studies have explored and analyzed in depth the region’s rain gauge network in a temporal perspective (1970-2010). To fulfill this gap in Southern Amazon and Northern Cerrado region, 207 Rain Gauges (RG) of the Brazilian National Agency for Water (ANA) were analyzed using statistical non-parametrical tests. The Pettitt’s test identified ruptures in the chronological rainfall series, while the Mann-Kendall’s test detected annual and seasonal tendencies in rainfall indexes and a linear regression analysis identified slight gain or loss in precipitation. Pettitt’s test indicated 16% of ruptures in the chronological rainfall series at the same time as Mann-Kendall’s monthly test put in evidence 41% of the RG having negative trends in transition seasons (onset and offset of the rainy season). Lastly the linear regression analysis showed 63% of data having negative trends. Additionally the dates of onset and offset of the rainy season were identified and its results submitted to Mann-Kendall’s and the linear regression approach. The data suggests strong contrasts between the Southern Amazon and the Northern Cerrado showing a delay on the onset of the rainy season for 84% of the RG, a premature offset for 76% and a reduction in the rainfall seasonal extend for 88%. An exponential ordinary kriging analysis of RG in deforested areas also revealed major chances of deforestation areas working as an adjuvant in the weakening of the rainy season- especially in highly deforested areas of the Mato Grosso State and the northern Rondônia. Aiming to build a tool to detect interactions between land surface and rainfall patterns the 207 RG were correlated through a buffer zones analysis with land use data acquired from satellite LANDSAT 5. The time frame previously selected was divided into three periods of forest cover (before 1997, between 1997-2010 and acumulated for 2010). The cross-related buffer zones analysis (1-50km) indicated at local level that precipitation patterns are not well correlated to forest cover. Yet the buffer zones methodology suggested that as larger the forest areas are, larger are the probabilities of those influencing precipitation at regional scale, contrary to forest fragments in local level. Despite the climatic data in the buffer analyzes do not reveal significant correlation to forest cover, the statistic Pettit and Mann-Kendall tests, the linear regression analyzes and the identification of the rainy season, confirmed a fine linkage with recent findings which focus large-scale circulation models including forest cover as a variable. Therefore the disparity in results from the statistical tests and the buffers analysis lead to two opposing hypotheses: one that the correlation of rainfall data does not exist locally, and second, that the tool fails to capture the correlation confirmed by the statistical tests suggesting an overlapped existence of rainfall correlation to forest cover, although not explicitly demonstrate in the designed tool.

RESUMÉ

Les zones de transition du Sud de l’Amazonie brésilienne et du Cerrado sont les principaux producteurs brésiliens de commodities et détenteurs de vaste biodiversité, cette production et sa condition environnementale étant extrêmement dépendante de l’accessibilité à l’eau, et donc un impact sur la disponibilité de la ressource fera augmenter le degré de stress sur la forêt et ses habitants. Malgré l’importance de la région pour l’agriculture et les services écosystémiques au Brésil, peu d’études ont exploré et analysé en profondeur le réseau de postes pluviométriques dans une perspective chronologique (1970-2010). Pour ce faire, 207 postes pluviométriques de l’Agence brésilienne sur l’eau (ANA) dans le sud de l’Amazonie et au nord du Cerrado sont analysés, tout en utilisant des tests non-paramétriques de Pettitt qui identifie les ruptures dans les séries chronologiques de pluviométrie, le test de Mann-Kendall qui détecte des tendances annuelles et saisonnières des indices pluviométriques, ainsi qu’un modèle de régression linéaire qui identifie les tendances subtiles de croissance ou décroissance dans les précipitations. Le test de Pettitt a indiqué 16% des ruptures dans les séries chronologiques des précipitations, et le test mensuel/saisonnière de Mann-Kendall a mis en évidence que 41% des postes ont des tendances négatives, principalement dans les saisons de transition (début et fin de la saison de pluie). Le modèle de régression linéaire a montré que 63% des données ont présenté des tendances négatives. Et en fine échelle les données temporelles nous ont permis d’identifier les dates de début et fin de la saison des pluies. Les résultats suggèrent qu’il existe de forts contrastes entre l’Amazonie et le Cerrado. Cette analyse chronologique a également indiqué que durant la période couverte par l’étude il y a eu un retard dans le début de la saison des pluies pour 84% des postes pluviométriques, et pour la fin un décalage prématuré de 76%, et pour son ampleur une diminution en 88%. L’analyse de krigeage exponentielle ordinaire des postes pluviométriques dans les zones déboisées a également révélé qu’il y a d’importantes chances que la déforestation soit un adjuvant à l’affaiblissement de la saison des pluies, en particulier dans les zones fortement déboisées de l’État de Mato Grosso et les régions au nord de l’État de Rondônia. Dans ce travail, des séries chronologiques des précipitations sont mises en corrélation avec des données d’occupation du sol, acquises par des images satellites Landsat 5, à partir d’une perspective temporelle. Cette analyse des zones tampons (1-50km) est divisée par 3 périodes de couverture forestière (avant 1997, parmi 1997-2010 et 2010) a indiqué que sur le plan local, au niveau des précipitations, il n’existe pas de corrélation. Pourtant, la méthodologie des zones tampons a suggéré que dans les grandes zones forestières, elle peut éventuellement s’appliquer. Malgré que les données climatiques ne montrent pas de corrélation significative avec les données de la couverture forestière, les analyses de Pettit, Mann-Kendall, la régression linéaire et l’identification de la saison des pluies rejoignent des découvertes récentes sur les modèles de circulation de large-échelle. Cette disparité dans les résultats nous amène à deux hypothèses : l’une que la corrélation des données pluviométriques n’existe pas localement, et l’autre qui l’outil utilisé pour les corrélations ne parvient pas à capturer la complexité de ces relations. Ce qui est confirmé par l’analyse des tests statistiques, qui indiquent ou suggèrent un chevauchement et l’existence d’une corrélation entre les précipitations et la couverture forestière, même si cela n’est pas démontré explicitement par l’outil désigné.

RESUMEN

Las zonas de transición del Sur Amazónico y el Cerrado son detentoras de gran biodiversidad y unas de las principales productoras de commodities en Brasil. Esta producción depende en gran medida de los diversos mecanismos físico-climáticos presentes en la biosfera local y regional. Por lo tanto, la deforestación podrá impactar la disponibilidad del agua aumentando la vulnerabilidad de sus habitantes al mismo tiempo que su grado de estrés. Pese a la importancia de la región para la agricultura, los servicios ecosistémicos y el clima regional de Brasil, pocos estudios han explorado y analizado en profundidad la rede de puestos pluviométricos y los patrones de precipitación en una perspectiva temporal (1970-2010) en la Amazonia Meridional. Para llenar estas fallas fueron analizados 207 puestos pluviómetros de la ANA (Agencia Nacional de Aguas) en la Amazonia Meridional y del Cerrado septentrional utilizándose de testes estadísticos no-paramétricos. El test de Pettitt identificó rupturas en las series cronológicas, el test de Mann-Kendall detectó tendencias anuales y estacionales de los índices pluviométricos, una regresión lineal identificó tendencias sutiles de gaño o perdida de precipitaciones. Los resultados de Pettitt apuntaran para 16% de rupturas en las series de precipitación cronológicas, mientras que el test de Mann-Kendall estacional puso en evidencia que 41% de los puestos pluviométricos tenían tendencias negativas, principalmente en las estaciones de transición (inicio y fin de la estación lluviosa). Por último, el análisis de regresión lineal mostró que el 63% de los datos presentan tendencias negativas. También fueran identificadas las fechas de inicio y fin del periodo lluvioso por medio de la aplicación de metodología singular corroborada por las análisis de Mann-Kendall y regresión lineal. Los resultados sugieren que existen fuertes contrastes entre el sur Amazónico y el norte del Cerrado, con retraso en el inicio de la temporada de lluvias en 84% de los puestos pluviométricos, un fin prematuro en 76% y una reducción general para 88% de los casos. Otro análisis de kriging ordinario exponencial en áreas deforestadas reveló que existen grandes probabilidades que la deforestación sea coadyuvante en el debilitamiento del periodo lluvioso, especialmente en zonas altamente deforestadas de los estados de Mato Grosso y zonas septentrionales de Rondônia. En este estudio también fueron correlacionadas las series pluviométricas oriundas de la regresión lineal a los datos de uso de la tierra adquiridos del satélite LANDSAT 5. El análisis de correlación de los datos pluviométricos con las zonas tampón (1-50km) delimitadas por áreas de floresta en tres periodos (antes de 1997, entre 1997-2010 y 2010) indicó que las precipitaciones a nivel local no se correlacionan con la cobertura forestal. Sin embargo, la metodología propuesta sugiere que a medida que las áreas forestales sean mayores, más grandes son las chances de influir en las precipitaciones, al contrario de pequeños fragmentos forestales en escala local. A pesar de los datos climáticos no exhibieren correlación significativa con los datos de la cobertura forestal, los análisis de Pettit, Mann-Kendall, regresión lineal y la identificación de la estación de lluvias va hacia hallazgos recientes centrados en modelos de circulación de larga-escala incluyendo la cobertura forestal como variable. La disparidad en los resultados nos llevan a dos hipótesis: una que la correlación de los datos de precipitación no existe a nivel local, y otro, la herramienta utilizada no logra captar la correlación, confirmando las pruebas estadísticas que indican o sugieren el solapamiento y la existencia de una correlación de la precipitación con la cubierta forestal, aunque no demostrado de forma explícita por la herramienta.