Resumo Simulações climáticas para o clima presente (1960-2005) utilizando o Modelo Climático Regional Eta e o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB), forçado com o Brazilian Earth System Model Ocean-Atmosphere (BESM-AO 2.5) foram realizadas. O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho do Modelo Regional Eta e o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB) na representação dos componentes do balanço de água (precipitação, evapotranspiração, convergência de umidade, vazão, cota e área de inundação) sobre a bacia do rio Madeira. A característica de sumidouro de umidade (P > E) foi simulada pelo modelo regional. Entretanto, o modelo subestimou a precipitação (33%), a evapotranspiração (12%) e a convergência de umidade (6%). O MGB-IPH conseguiu representar o ciclo anual das vazões, níveis do rio (cota) e área de inundação. Também conseguiu reproduzir a translação e amplitude das ondas de cheia, e o atraso de 3 meses entre os máximos da área de inundação e a precipitação sobre a bacia do Madeira. O MGB-IPH mostrou-se uma ferramenta útil para estudos de variabilidade climática, mudanças no clima e no uso da terra, e também para sistemas operacionais de previsão hidrológica na bacia Amazônica.

Abstract Downscaling climate simulation for present climate (1960-2005) based on the Eta Regional Climate Model and MGB Large-scale Hydrological Model, forced by Brazilian Model of the Terrestrial System (BESM-AO 2.5), was carried out. The objective of this work is assessment the performance of the Eta regional model and MGB-IPH in the representation of the components of the water budget in Madeira River basin. The moisture sink characteristic (P> E) was simulated by the regional model. In the terrestrial branch, the MGB-IPH hydrological model was able to represent the annual cycle of discharge, water level and floodplain inundation. The performance of the hydrological model and the regional model was satisfactory in the simulation of the seasonal dynamics of hydrological processes and water budget in Madeira river basin, indicating that the hydrological model is a useful tool for studies of climatic variability, changes in climate and land use and for hydrological forecasting operational systems in the Amazon basin.

Resumo O presente trabalho evidencia a ocorrência de vento tipo foehn nas encostas orientais das serras do Sudeste do Brasil. Um caso particular foi detectado a partir de evidências observacionais em 4 de Julho de 2015 perto da cidade de Cruzeiro, Estado de São Paulo, na Serra da Mantiqueira. Os resultados obtidos por simulações numéricas são consistentes com a ocorrência de vento foehn, como pode ser visto a partir da análise de padrões regionais e séries temporais de certos parâmetros meteorológicos.

Abstract The present study gives evidence of the occurrence of foehn-like wind on the eastern slopes of the mountains at Southeastern Brazil. A particular case was detected based on observational evidence on 4 July 2015 near the city of Cruzeiro, state of Sao Paulo, on the Serra da Mantiqueira mountains. Results obtained from numerical simulations are consistent with the foehn wind occurrence deducted from the analysis of regional patterns and time series of selected meteorological parameters.

Resumo Nesse estudo avaliou-se os impactos do aumento dos GEE's (cenário RCP 8.5) e dos desflorestamentos no ciclo da água na bacia do rio Madeira, utilizando o Modelo Regional Eta e o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB), forçado com o Brazilian Earth System Model Ocean-Atmosphere versão 2.5 (BESM-OA 2.5). No cenário RCP 8.5, o modelo apresentou sensibilidade sobre toda a bacia do Madeira, com aumento da ordem de 4.0 °C na temperatura. O aumento foi intensificado com os cenários de desflorestamentos de 2050 (4.8 °C) e 2100 (6.2 °C). Nos cenários de desflorestamento predominou-se o Mecanismo de Retroalimentação Negativo, pois embora haja reduções na precipitação e evapotranspiração, a convergência de umidade aumentou em todos os cenários. Observou-se aumento das descargas na maioria das estações para todos os cenários futuros RCP 8.5 e desflorestamento. O aumento da precipitação na estação seca explicou em parte o aumento das vazões e na área de inundação sobre a bacia do Madeira. O aumento na precipitação à montante da bacia e a mudança nos parâmetros do solo, associada às alterações no uso da terra, contribuíram para o aumento da vazão e área de inundação sobre a bacia do Madeira. As alterações nas descargas e na área de inundação podem ter efeitos negativos, com prejuízos e danos ao meio ambiente, nos recursos hídricos, nos principais setores da economia, afetando de forma direta as comunidades que vivem às margens dos rios, principalmente as populações vulneráveis da bacia do Madeira.

Abstract In this study, we evaluated the impacts of increased GHGs (RCP 8.5 scenario) and future deforestations on the water cycle in the Madeira River basin by using the Eta Regional Model and MGB-IPH Large-scale Hydrological Model, forced by Brazilian Model of the Terrestrial System (BESM-AO 2.5). In the RCP 8.5 scenario, the model demonstrated sensitivity over the entire Madeira basin, with a temperature increase of 4.0 °C. The increase was intensified with the deforestation scenarios for 2050 (4.8 °C) and 2100 (6.2 °C). In the deforestation scenarios, the Negative Feedback Mechanism (NFM) was predominant because, although there were reductions in precipitation and evapotranspiration, the convergence of humidity presented an increase in all the scenarios. Regarding the hydrological processes, an increase in the discharges in most stations for all future scenarios for RCP8.5 and deforestation was observed. The increase in precipitation in the dry season explains in part the increase in the discharges and in the flood area in the Madeira basin. The increased upstream precipitation and the changes in soil parameters associated with the changes in land use contributed to the increase in the flood area over the Madeira basin. These changes can have negative effects on the environment, on water resources and on the main sectors of the economy, which directly affect the communities that inhabit the river banks, especially the vulnerable populations of the Madeira basin.

Abstract Ten-year seasonal climate reforecasts over South America are obtained using the Eta Regional Climate Model at 40 km resolution, driven by the large-scale forcing from the global atmospheric model of the Center for Weather Forecasts and Climate Studies. The objective of this work is to evaluate these regional reforecasts. The dataset is comprised of four-month seasonal forecasts performed on a monthly basis between 2001 and 2010. An ensemble of five members is constructed from five slightly different initial conditions to partially reduce the uncertainty in the seasonal forecasts. The seasonal mean precipitation and 2-meter temperature forecasts are compared with the observations. The comparison shows that, in general, forecasted precipitation is underestimated in the central part of the continent in the austral summer, whereas the forecasted 2 meter temperature is underestimated in most parts of the continent and throughout the year. Skill scores show higher skill in the northern part of the continent and lower skill in the southern part of the continent, but mixed skill signs are seen in the central part of the continent. During the El Niño and La Niña seasons, the forecast skill scores clearly increase. The downscaling of the Eta model seasonal forecasts provides added value over the driver global model forecasts, especially during rainy periods.

Resumo O objetivo deste estudo é avaliar o desempenho das simulações por conjunto do modelo Eta-5km do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais para um caso de chuva intensa ocorrido na Bacia do Rio Paraíba do Sul em janeiro de 2000, durante um evento de Zona de Convergência do Atlântico Sul. O conjunto de simulações é formado por 5 membros, denominados de acordo com suas parametrizações convectiva (Betts-Miller-Janjic - BMJ ou Kain-Fritsch - KF) e de microfísica (Ferrier ou Zhao): CNTRL (BMJ/Ferrier); KF (KF/Ferrier); KFMX (KF com fluxo de momentum/Ferrier); KFMXP (KF com fluxo de momentum e força do gradiente da perturbação da pressão/Ferrier) e ZHAO (BMJ/Zhao). As simulações são realizadas com horizontes de 24 até 120 h e condições de contorno inicial e lateral provenientes do “Climate Forecast System Reanalysis”. Os resultados indicam que todos os membros são capazes de posicionar a banda de chuva aproximadamente na mesma localização observada. O modelo, apesar de subestimar os valores das maiores pluviometrias diárias, simula uma frequência maior de eventos de chuva forte. Em geral, a média do conjunto apresenta melhor performance do que cada um dos membros isoladamente e as simulações com 48 h de antecedência são superiores às demais.

Abstract The aim of this study is to evaluate the performance of simulations generated by the ensemble of the Eta-5km model from the National Institute for Space Research. The evaluation was performed over the Paraíba do Sul River Basin during an extreme rainfall event, occurred early in January 2000, in a South Atlantic Convergence Zone event. The 5-member ensemble is formed with different convective (Betts-Miller-Jancic - BMJ or Kain-Fritsch - KF) and microphysics (Ferrier or Zhao) parameterizations and are nominated respectively as: CNTRL (Betts-Miller-Janjic/Ferrier); KF (Kain-Fritsch/Ferrier); KFMX (Kain-Fritsch with inclusion of momentum flux/Ferrier); KFMXP (Kain-Fritsch with inclusion of momentum flux and force of the perturbation of pressure gradient/Ferrier) and ZHAO (Betts-Miller-Janjic/Zhao). The simulations are integrated up to 120 h and the initial and boundary conditions were taken from the Climate Forecast System Reanalysis. The results indicate that all members were able to position the rain band in about the same observed location. Although the model underestimates the highest daily precipitation amount, it simulates higher frequency of heavy rainfall events than it really occurs. In general, the ensemble mean simulation presents higher performance than each individual members and the 48-h simulations are better than the other forecast lead times.

Resumo O modelo regional ETA do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) foi utilizado para avaliar o papel das mudanças nos usos e cobertura da terra na reciclagem de precipitação na bacia amazônica através de cenários de desflorestamento referente ao estado atual e projeções futuras. A reciclagem de precipitação aumentou de sudeste para norte-noroeste sobre a bacia, com valores variando entre 20% a 40%, estando diretamente relacionado à intensificação no transporte de umidade no sentido leste-oeste. As mudanças significativas na reciclagem ocorreram nos cenários de 2050 e 2100, enquanto que, para a situação atual, as mudanças não foram intensas suficientes para afetar o regime de precipitação na bacia. As reduções na reciclagem de precipitação (9% e 30% para os cenários de 2050 e 2100, respectivamente) foram explicadas pela redução na evapotranspiração e aumento no transporte de umidade; entretanto, a redução na evapotranspiração teve papel preponderante. A redução na precipitação total foi determinada pela redução da precipitação advectada (68%) e local (32%). Se as atividades antropogênicas não permitirem que haja a regeneração ambiental, o equilíbrio clima-vegetação será afetado, conduzindo a uma condição mais quente e seca, que por sua vez, implicará em graves consequências para os ecossistemas da Amazônia.

Abstract The regional model ETA of National Institute for Space Research (INPE) was used to assess the role of changes in the use and land cover in the recycling of rainfall in the Amazon basin through deforestation scenarios for the current state and future projections. Precipitation recycling southeast of increased north-northwest of the basin, with values ranging from 20% to 40%, is directly related to the intensification of the moisture transport in the east-west direction. Significant changes in recycling occurred in the scenarios 2050 and 2100, while for the current situation, the changes were not intense enough to affect the rainfall regime in the basin. Reductions in recycling precipitation (9% and 30% for the scenarios 2050 and 2100, respectively) were explained by reduction in the evapotranspiration and increased moisture transport; however, the reduction in evapotranspiration had a preponderant role. The reduction in the total precipitation was determined by reduction of advected precipitation (68%) and local (32%). If anthropogenic activities do not allow there environmental regeneration, climate-vegetation balance will be affected, leading to a warmer and dry condition, which in turn, will result in serious consequences for the Amazon ecosystems.

RESUMO O impacto das mudanças climáticas precisa ser considerado no planejamento dos recursos hídricos. Este trabalho tem por objetivo o estudo dos impactos das mudanças climáticas na bacia de cabeceira Lavrinha, localizada na Serra da Mantiqueira, Sudeste do Brasil. Os impactos oriundos das mudanças climáticas (cenário RCP 8.5) no escoamento da bacia hidrográfica Lavrinha foram analisados com base no modelo "Distributed Hydrology Soil Vegetation Model" (DHSVM), forçado com as condições climáticas simuladas para este cenário futuro de mudanças climáticas. Estas simulações, por sua vez, foram geradas pelo modelo climático regional Eta acoplado ao Modelo Climático Global (MCG) HadGEM2-ES, nos períodos de 2011-2040, 2041-2070 e 2071-2099. Os resultados deste estudo mostraram que a vazão é bastante sensível ao aumento da temperatura e diminuição da precipitação, ambos projetados para o cenário RCP 8.5. A simulação hidrológica projetou uma redução na vazão mensal entre 20 e 77% ao longo do século XXI (2011 a 2099), correspondendo a reduções drásticas no escoamento e, consequentemente, na capacidade de produção de água da região.

ABSTRACT Climate change impacts need to be considered in water resource planning. This work aims to study of the impacts climate change on Lavrinha headwater watershed, located in the Mantiqueira Range, southeastern Brazil. The impacts from climate change (RCP 8.5 scenario) in the Lavrinha watershed runoff were analyzed based on the "Distributed Hydrology Soil Vegetation Model" (DHSVM), forced with the climate simulated for this future climate change scenario. These simulations, in turn, were generated by the Eta regional climate model coupled to Global Climate Model (GCM) HadGEM2-ES for the 2011-2040, 2041-2070 and 2071-2099 periods. The results of this study showed that the runoff is very sensitive to rising temperatures and reduced precipitation, both projected for the RCP 8.5 scenario. The hydrological simulation projected a reduction in the monthly streamflow between 20 and 77% over the twenty-first century (2011-2099), corresponding to drastic reductions in the runoff behavior and consequently in the water production capacity of the region.

RESUMO A previsão hidrológica por conjunto tem sido reconhecida como uma ferramenta essencial em diversos sistemas operacionais de previsão de cheias. Diferentemente da abordagem determinística, que disponibiliza apenas uma previsão pontual, a previsão por conjunto permite a representação das incertezas associadas e consequentemente a melhoria na detecção de eventos extremos de cheia. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo verificar a qualidade de previsões hidrológicas por conjunto, em curto prazo, na bacia do rio Taquari-Antas/RS, e o seu potencial para fornecer informação adicional a um sistema de alerta. Para tanto, foi utilizado o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado ao EPS Regional Eta de alta resolução, com 5 membros de diferentes parametrizações e condições de contorno, além da previsão determinística do Modelo Regional Eta. Durante a avaliação de eventos singulares recentemente ocorridos na bacia, a vazão máxima foi relativamente bem prevista por pelo menos 1 membro em quase todas as previsões realizadas, inclusive com instante de pico próximo ao observado para as antecedências consideradas. Em uma comparação com previsões determinísticas, as previsões por conjunto demonstraram maior acurácia e maior probabilidade de detecção (POD) para os limiares de referência utilizados, mantendo a razão de falso alarme a níveis razoavelmente baixos. Foi identificada também uma tendência geral de subestimativa nas previsões, com a maioria das observações situando-se entre os maiores ranks do conjunto. Além disso, a combinação de previsões defasadas (t-12h) com as mais recentes amplia o espalhamento do conjunto e aumenta a POD dos limiares de alerta, apesar da redução no desempenho em termos de acurácia e viés. Os resultados obtidos sugerem que existe um benefício no uso das previsões hidrológicas por conjunto obtidas com o EPS Eta de alta resolução, podendo dar suporte à emissão de pré-alertas e nortear ações de planejamento internas no escopo da Defesa Civil.

ABSTRACT Hydrological Ensemble Prediction Systems (HEPS) play an important role on operational flood forecasting. Unlike in deterministic approach, which relies on a single prediction of future river flows, these systems can represent the forecast uncertainty and provide a better detection of extreme hydro-meteorological events. In this context, the present study aimed to assess both the quality of ensemble flood forecasts on Taquari-Antas basin and its potential to provide additional information to a local Flood Alert System. The hydrological model MGB-IPH was coupled to the high-resolution meteorological EPS Eta model with five members of different parameterization schemes and boundary conditions, as well as to the deterministic version of Eta regional model. On a single event evaluation, the peak discharge was reasonable well predicted by at least one ensemble member, in nearly all forecasts, with a good prediction of the flood timing for the considered lead times. In a comparison with deterministic forecasts, the ensemble ones showed higher accuracy and higher probability of detection (POD) for the reference thresholds, preserving false alarm rates at reasonably low levels. An overall tendency of underestimation was also identified, with most observations falling between the higher ranks of the ensemble. Furthermore, the combination of previous forecasts (t-12h) with the recent ones leads to a slight increase of ensemble spread and POD, despite the performance reduction in terms of accuracy and bias for the ensemble mean. Results suggest that there is a benefit in having hydrological ensemble forecasts obtained from the high resolution EPS Eta model, which can be used as a complementary information to a local Flood Alert System supporting pre-alert issues and Civil Defense internal planning actions.

RESUMO: Apesar da redução na taxa de desmatamento nos últimos anos, o impacto do aquecimento global por si só pode causar alterações na cobertura vegetal. O Objetivo deste trabalho foi investigar as possíveis alterações no maior bioma brasileiro, a Floresta Amazônica, levando em consideração diferentes cenários de mudanças climáticas. Os modelos de vegetação dinâmica permitem representar as mudanças na distribuição de vegetação bem como nos processos biogeoquímicos diante de mudanças no clima. Na primeira parte do trabalho, o modelo de vegetação dinâmica Inland foi forçado com condições iniciais e de contorno geradas a partir de dados de reanálise (CFSR) e pela regionalização da simulação histórica de um modelo global do sistema terrestre (HadGEM2-ES) com o modelo Eta. Estas simulações foram validadas utilizando os dados da torre de Santarém-K83. Na segunda parte, avaliou-se o impacto de uma futura mudança climática sobre o bioma floresta através das projeções do modelo Inland forçado com um modelo regional climático. As projeções mostram que algumas áreas de floresta tropical na Amazônia são substituídas por tipo de floresta decídua e pastagem natural no cenário RCP4.5 e apenas por pastagem natural no cenário RCP8.5 no final do século XXI. No Estado do Amazonas, o modelo indica uma redução de cerca de 9% da área de floresta tropical no cenário RCP4.5 e uma redução maior no cenário RCP8.5 de cerca de 50%. Embora o aumento da concentração de CO2 atmosférico possa favorecer o crescimento das árvores, as projeções do modelo Eta-HadGEM2-ES mostram aumento da temperatura e redução da precipitação na região Amazônica, levando a degradação da floresta nestas simulações.

ABSTRACT: Despite the reduction in deforestation rate in recent years, the impact of global warming by itself can cause changes in vegetation cover. The objective of this work was to investigate the possible changes on the major Brazilian biome, the Amazon Rainforest, under different climate change scenarios. The dynamic vegetation models may simulate changes in vegetation distribution and the biogeochemical processes due to climate change. Initially, the Inland dynamic vegetation model was forced with initial and boundary conditions provided by CFSR and the Eta regional climate model driven by the historical simulation of HadGEM2-ES. These simulations were validated using the Santarém tower data. In the second part, we assess the impact of a future climate change on the Amazon biome by applying the Inland model forced with regional climate change projections. The projections show that some areas of rainforest in the Amazon region are replaced by deciduous forest type and grassland in RCP4.5 scenario and only by grassland in RCP8.5 scenario at the end of this century. The model indicates a reduction of approximately 9% in the area of tropical forest in RCP4.5 scenario and a further reduction in the RCP8.5 scenario of about 50% in the eastern region of Amazon. Although the increase of CO2 atmospheric concentration may favour the growth of trees, the projections of Eta-HadGEM2-ES show increase of temperature and reduction of rainfall in the Amazon region, which caused the forest degradation in these simulations.

Este trabalho tem por objetivo avaliar a precipitação pluvial e as temperaturas máximas e mínimas previstas pelo Modelo Eta para até 120 dias de previsão em 24 localidades distribuídas na região Centro-Sul do Brasil. A avaliação se baseia na comparação de séries históricas de chuva e temperaturas de 1997 a 2002, com as previsões de 30, 60 e 120 dias de antecedência do Modelo Eta para as 24 localidades. Foram utilizados valores de média, mediana e desvio padrão nesta avaliação. Os resultados indicam que estas previsões geralmente subestimam as chuvas e a amplitude térmica nestas localidades. Os menores erros de precipitação pluvial se localizam mais destacadamente em Itumbiara e Rio Verde, enquanto que os maiores, em Porangatu e Manduri. Por outro lado, os menores erros de temperatura máxima se localizam destacadamente em Brasília, Manduri e Piracicaba, enquanto que os maiores ocorrem em Barreiras e Porangatu. Apesar de o modelo apresentar erros sistemáticos nas previsões de temperaturas, estes erros podem ser removidos para que os valores corrigidos possam ser introduzidos nos modelos de culturas.

The objective of this study was to evaluate the 120-day precipitation and maximum and minimum temperature forecasts by Eta Model over 24 locations around the Mid-Southern of Brazil. The evaluation was based on comparing observed time series of precipitation and temperatures from 1997 to 2002 to 30, 60 and 120-day forecasts of Eta Model over these 24 locations. Mean, median and standard deviation were used in the evaluation. The results show that these forecasts generally underestimate rain and temperature range. The smallest precipitation errors occurred in Itumbiara and Rio Verde, whereas the largest errors occurred in Porangatu and Manduri. The smallest maximum temperature errors occurred in Brasília, Manduri and Piracicaba whereas the largest errors in Barreiras and Porangatu. Despite the systematic errors exhibited by the precipitation and temperature forecasts, these errors can be removed and the corrected values input into the crop models.

Previsões de temperatura do Modelo Eta de 40 km de resolução são refinadas para produzir previsões em pontos localizados em sete cidades da região Nordeste: Salvador, Maceió, Recife, Natal, Fortaleza, São Luís e Teresina. O esquema de refinamento empregado é o Model Output Calibration (MOC) que se baseia em regressão linear do erro da previsão com as variáveis previstas pelo modelo. O esquema apresenta a vantagem de empregar período curto de treinamento, neste caso foi usado o período de somente 28 dias. A seleção dos preditores se baseou em correlação maior que 0,6. Os testes foram realizados com dados horários de temperatura do mês de setembro de 2003. Os erros sistemáticos das previsões foram substancialmente reduzidos para valores menores que 0,5 °C em média. Os erros quadráticos que eram da ordem de 2 °C passaram para valores em torno de 1 °C em média. As correlações entre as séries refinadas e as séries observadas foram geralmente mantidas altas e semelhantes às correlações entre as séries previstas pelo Modelo Eta e as séries observadas, indicando que a aplicação do esquema não prejudicou as tendências horárias da temperatura nas estações. As temperaturas de cidades onde as amplitudes dos ciclos diurnos não foram bem previstas pelo Eta, foram refinadas pelo esquema.

Statistical downscaling of 2 m air temperature forecasts from the Eta Model at 40 km resolution were carried out for 7 sites located in Northeast Brazil. The downscaling method was the Model Output Calibration (MOC), which is based on the linear regression between the forecast error and model output variables. One feature of the scheme is the use of short training period, in this work only 28 days was the chosen period. The model output variables with correlation higher than 0.6 were selected as predictors of the regression equation. The scheme was tested for one-month hourly forecasts in September 2003. Model systematic errors were strongly reduced to values below |0.5| °C on average. The root mean square errors, which initially were of the order of 2 °C, were reduced to about 1 °C. The linear correlation between the observations and Eta forecasts were generally kept the same after applying the downscaling scheme. Temperature forecasts with greatest errors in the amplitude of the diurnal cycle were corrected accordingly.