Simulação hidrológica com o uso de chuva estimada por satélite

Abstract

Resumo: Atualmente, estão sendo desenvolvidos diversos produtos de estimativa de chuva por satélite. Entre eles, destacam-se os produtos que combinam sensores microondas de satélites polares, com sensores infravermelhos de satélites geoestacionários, sendo suas resoluções espaciais e temporais das mais variadas. Os principais objetivos desse estudo são: (a) validar a estimativa de chuva por satélite CMORPH na bacia do rio Iguaçu em União da Vitória, (b) avaliar o impacto das incertezas das estimativas de chuva por satélite em sistemas de alertas de cheias, por meio de análise probabilística para o período 2003-2004, e (c) relatar os resultados do estudo de sensibilidade de modelagem hidrológica em relação ao tipo de dados de entrada (chuva estimada por satélites e medida por pluviômetros), e configuração do modelo hidrológico (somente com assimilação da chuva, ou com a inclusão de um estimador de estado, que assimila a vazão observada, além da chuva). A sensibilidade da estimativa de chuva por satélite com respeito à escala foi analisada para duas bacias: sub-bacia de Porto Amazonas, com área de 3.662 km², monitorada com uma única estação pluviométrica, e a bacia do Iguaçu em União da Vitória, com área de 24.211 km², monitorada com uma rede contendo treze estações pluviométricas. Os principais resultados desse estudo são: (1) as incertezas da estimativa de chuva por satélite CMORPH são suficientes para serem usadas como dado de entrada em sistemas de alertas de cheias para bacias maiores do que 1.000 km2 , na bacia do Iguaçu em União da Vitória; (2) o CMORPH registra muito bem a ocorrência de chuva na bacia, embora, superestime sua intensidade, (3) a metodologia da análise probabilística da incerteza da chuva fornece uma boa ferramenta para verificação do uso das estimativas de chuva por satélite em sistemas de alertas de cheias, (4) a resposta do modelo hidrológico depende significativamente do tipo de dado de entrada, (5) os estados do modelo hidrológico variam significativamente em função do dado de entrada; neste estudo em que o produto de satélite teve um viés de superestimar a chuva média, causou uma saturação mais rápida da bacia e aumentou os picos dos hidrogramas, e (6) a inclusão do estimador de estado no modelo hidrológico atenua as incertezas da estimativa de chuva por satélite, produzindo uma modelagem com qualidade equivalente às obtidas pelo modelo hidrológico quando usa somente dados da rede pluviométrica de superfície.

Abstract: A new generation of satellite rainfall products, combining both microwaveand infrared bands, are become available. The current generation of satellite rainfallproducts combines data from a multiple satellite array. Polar orbiting satellites areequipped with microwave sensors, whereas infrared sensors are placed ingeostationary environmental satellites. The objectives of this study are: (a) validation of CMORPH’s satellite rainfall estimation product for the Iguaçu Basin in União daVitória, (b) evaluation the impact of the uncertainties of satellite rainfall estimates onreal time flood warning systems, through statistical analysis of daily rainfall for the2003-2004 period for the Iguaçu Basin in União da Vitória, and (c) reporting theresults of a sensitivity study of hydrologic forecasting with respect to both mean arearainfall input data (raingauge and satellite), and hydrologic model design (with andwithout updating through streamflow assimilation). The sensitivity of satellite rainfallestimation with respect to basin scales was analyzed for two basins: Iguaçu River inPorto Amazonas, which is a 3.662 km² headwater basin monitored with a singlehydrologic telemetric station, and Iguaçu River in União da Vitória which is a 24.211 km² basin, monitored with a network of thirteen hydrologic telemetric stations. The main results of this study were: (1) CMORPH’s satellite rainfall estimationuncertainties are small enough to be used as input data for flood warning systems forbasins larger than 1.000 km2 in Southern Brazil; (2) CMORPH’s rainfall estimationcaptures the phase of rainfall events, but overestimates the rainfall peak intensity; (3)the probabilistic analysis of the uncertainties of satellite rainfall estimates provides the parameterization of both flooding detection and false warning, which are pivotal forreal time flood warning systems; (4) the deterministic hydrologic model responsedepends strongly on the uncertainty of rainfall estimates; (5) the hydrologic modelstates vary significantly with respect to the rainfall input data, since CMORPH’ssatellite rainfall tend to overestimate rainfall intensity, then the soil layers of the hydrologic model accumulate the overestimated rainfall, acquiring full storage andenhancing the peak of the simulated hydrographs; (6) the impact of the uncertainties of satellite rainfall estimates on hydrologic forecasting is significantly reduced if anautomated state estimator is coupled to the rainfall-runoff-routing model.