Avaliação da ocorrência de ondas de calor lacustres na lagoa Mangueira/RS em período histórico e sob a perspectiva de mudanças climáticas

Abstract

Esta dissertação avaliou o desempenho do método de otimização acoplado ao modelo de estimativa de temperatura da água de lagos Air2Water, assim como, a partir dele, a ocorrência de ondas de calor lacustres na lagoa Mangueira/RS em período histórico e sob a perspectiva de mudanças climáticas. A PSO (do inglês, Particle Swarm Optimization), método de otimização acoplado ao Air2Water teve seu desempenho avaliado a partir da redução do número de partículas participando do processo de ajuste do modelo, tratado aqui como o conjunto dos períodos de calibração e verificação. Dados os valores de medida de desempenho obtidos para NSE e RMSE, foi verificada a possibilidade de redução no custo computacional de ajuste do Air2Water por meio da redução no número de partículas da PSO (de 2000, default do modelo, para 50). Com esses resultados, a utilização do Air2Water torna-se ainda mais atrativa na estimativa da temperatura da água de lagos, visto que esse parâmetro regula os processos físicos, químicos e biológicos nesses ecossistemas. Ademais, foi avaliada a ocorrência de ondas de calor lacustres na lagoa Mangueira, ainda utilizando o modelo Air2Water, cujos dados de entrada foram séries temporais de temperatura do ar obtidas a partir de 26 modelos climáticos globais (MCGs). Para a determinação das ondas de calor lacustres na lagoa Mangueira, as séries temporais de temperatura superficial da água, variável de saída do Air2Water, foram estimadas em período histórico e em segundo três cenários futuros: SSP1-2,6, SSP2-4,5 e SSP5-8,5. Os resultados foram expressos em termos de índices de ondas de calor, inicialmente aplicados para ambientes marinhos e, após, para ecossistemas lacustres. A maioria das projeções obtidas através dos MCGs indicaram anomalias positivas para todos os índices de ondas de calor lacustres, especialmente o cenário SSP5-8,5 em relação ao período histórico. Dois dos cinco índices aqui avaliados, além da duração total, foram ainda apresentados segundo uma escala temporal para cada ano associado ao período histórico e aos cenários futuros. Dessa análise, foi observado um aumento nos valores médios desses índices para os três cenários futuros frente ao período histórico, novamente com destaque para o SSP5-8,5. Por fim, foi constatada para a lagoa Mangueira a ocorrência de ondas de calor lacustres durando por mais de 1 estação do ano, com algumas das projeções indicando ainda um estado permanente de ocorrência desses eventos extremos, que, adequadamente estudados, podem ser de suma importância no gerenciamento de lagos, associados à manutenção de importantes serviços ambientais.

This dissertation assessed the performance of the optimization method coupled to the Air2Water lake water temperature estimation model and, based on it, the occurrence of lake heatwaves in the Lake Mangueira, RS, in a historical period and from the perspective of climate change. The Particle Swarm Optimization (PSO), optimization method coupled to Air2Water, had its performance assessed by reducing the number of particles participating in the model adjustment process. Given the performance measure values obtained for NSE and RMSE, was verified the possibility of reducing the computational cost of adjusting Air2Water by reducing the number of PSO particles (from 2000, the model's default, to 50). With these results, the use of Air2Water becomes even more attractive for estimating the water temperature of lakes, since this parameter regulates the physical, chemical and biological processes in these ecosystems. Thus, the occurrence of lake heatwaves in the Lake Mangueira was assessed, still using the Air2Water model, whose input data were air temperature time series obtained from 26 global climate models (GCMs). To determine the lake heatwaves in Lake Mangueira, the time series of surface water temperature, an Air2Water output variable, were estimated for the historical period and for future scenarios SSP1-2.6, SSP2-4.5 and SSP5-8.5. The results were expressed in terms of heatwave indices, initially applied to marine environments and then to lake ecosystems. Most of the projections obtained through the GCMs indicated positive anomalies for all the lake heatwave indices, especially the SSP5-8.5 scenario in relation to the historical period. Two of the five indices assessed, in addition to the total duration, were also presented according to a time scale for each year associated with the historical period and future scenarios. This analysis showed an increase in the average values of these indices for the three future scenarios compared to the historical period, again with SSP5-8.5 standing out. Finally, the occurrence of lake heatwaves lasting for more than one season was noted for the Lake Mangueira. Some of the projections also indicating a permanent state of occurrence of these extreme events, which, if properly studied, can be of key importance in lake management, associated to with the maintenance of important environmental services.