Os efeitos da mudança climática relacionados ao clima afetarão a próxima fase da vida urbana. Só precisamos saber como e quando.

Em 2017, o tempo calamitoso parecia sempre presente. Três furacões trouxeram chuva recorde, inundações intensas e danos generalizados ao Texas, Flórida, Porto Rico e Ilhas Virgens Americanas. As inundações da Califórnia levaram à crise da represa de Oroville, onde os vertedouros principais e de emergência sofreram erosão e resultaram em extensas evacuações. As fortes chuvas levaram a uma inundação mortal que atravessou um desfiladeiro perto de Payson, Arizona, matando 10.

Clima extremo, incluindo chuvas fortes, seca e calor excessivo, agora ameaça os centros urbanos em uma escala sem precedentes. É por isso que Giuseppe Mascaro, professor assistente de engenharia civil na Arizona State University, procurou caracterizar a precipitação diária na área metropolitana de Phoenix e em todo o centro do Arizona usando modelos estatísticos. Seus resultados são publicados no Journal of Hydrology .

"Por que queremos caracterizar os extremos?" perguntou Mascaro, membro do corpo docente da Escola de Engenharia Sustentável e Ambiente Construído - uma das seis escolas das Escolas de Engenharia Ira A. Fulton. “A recente ocorrência de desastres naturais desencadeados por fortes chuvas e a percepção de que isso tem acontecido com mais frequência do que o normal exigem a realização desse tipo de análise quantitativa para entender a situação atual, compare-o com o passado e tente modelar o futuro. "

Modelos estatísticos de chuvas extremas são cruciais para sustentar a água, estudos de engenharia e clima. Os modelos de Mascaro informarão os esforços na previsão de enchentes, gestão da água e projeto de infraestrutura urbana. Adicionalmente, Os modelos de Mascaro avaliarão a capacidade dos modelos climáticos atuais de prever cenários de chuvas fortes de forma confiável.

Metodologia reduz a incerteza

Os extremos são raros por definição. Uma tempestade de 100 anos teoricamente acontece uma vez a cada 100 anos. Isso torna a observação de eventos climáticos extremos um desafio, especialmente no sudoeste dos Estados Unidos, onde os registros de observações de chuva podem ser mais esparsos e mais curtos em comparação com a parte oriental do país.

Por exemplo, a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional criou o Atlas 14, um atlas de precipitação que caracteriza a frequência e intensidade das chuvas no sudoeste dos EUA. No Arizona, o atlas é baseado em dados de uma rede de apenas 270 pluviômetros em todo o estado.

Os engenheiros civis contam com modelos estatísticos para projetar infraestrutura e sistemas de águas pluviais para centros urbanos, assumindo que a variabilidade climática observada no passado permanecerá a mesma no futuro. Contudo, argumentos teóricos sugerem que um clima mais quente pode levar ao aumento da frequência e magnitude de eventos climáticos extremos, implicando que a infraestrutura existente pode não ser capaz de mitigar os efeitos de chuvas fortes e inundações.

"A desvantagem de registros esparsos e mais curtos para análises estatísticas é que as distribuições de probabilidade não são robustas o suficiente, "disse Mascaro, que também é engenheiro de pesquisa no Instituto Global de Sustentabilidade Julie Ann Wrigley da ASU e professor assistente no Centro de Pesquisa de Clima Urbano. "Há incerteza. Quero reduzir a incerteza na estimativa dos extremos para que possamos planejar melhor o futuro."

Para caracterizar os extremos diários de chuva na área metropolitana de Phoenix e no centro do Arizona, Mascaro utilizou um conjunto de dados inexplorado do Distrito de Controle de Inundações do Condado de Maricopa. A rede inclui registros de 310 pluviômetros, dos quais 240 têm mais de 15 anos de dados.

Mascaro analisou este "tesouro" de dados usando uma abordagem estatística alternativa chamada análise de pico acima do limite, que expande a quantidade de dados usados ​​para caracterizar eventos extremos.

"As pessoas da minha área dizem:'OK, este método não é novo, “Mascaro disse.“ Mas então eu apliquei avanços metodológicos recentes que foram desenvolvidos usando registros globais de chuva de longo prazo para ajudar a corrigir erros na análise de frequência de conjuntos de dados mais curtos. Isso melhora a robustez, limitando o efeito de tamanhos de amostra pequenos. "

Resultados empíricos úteis na previsão do futuro

Mascaro conduziu análises de chuvas fortes na área metropolitana de Phoenix e no centro do Arizona, anualmente e sazonalmente. Para a análise sazonal, Mascaro foi responsável pela monção de verão do Arizona marcada de julho a setembro e a temporada de inverno marcada de novembro a março. Ele estimou os parâmetros de uma distribuição estatística, chamada de distribuição generalizada de Pareto, para reproduzir a frequência das chuvas extremas diárias.

Por meio dessa análise, Mascaro descobriu que o comportamento estatístico de chuvas extremas no verão difere do inverno. No verão, tempestades são muito localizadas e curtas, enquanto eles são geralmente mais longos e difundidos no inverno devido às frentes frias do Oceano Pacífico.

Mascaro também descobriu que a intensidade das chuvas extremas diárias no inverno aumenta com a elevação. Contudo, não há padrões organizados de extremos de chuva com base na latitude, longitude ou elevação para extremos de verão. Esse tipo de informação ajuda a refinar os modelos estatísticos que estimam a frequência das chuvas em Phoenix e no centro do Arizona.

Os resultados do trabalho de Mascaro sobre os extremos diários de chuva informam o projeto da infraestrutura civil e fornecem ferramentas para avaliar a capacidade dos modelos climáticos de prever eventos extremos. Essas metodologias são amplamente aplicáveis ​​a outras regiões, incluindo áreas urbanas onde os registros de precipitação estão se tornando cada vez mais disponíveis devido às crescentes redes de medidores de chuva.

Os modelos de previsão de chuva de Mascaro serão um componente vital para promover a resiliência urbana e a sustentabilidade da água, uma vez que os centros urbanos enfrentam desafios climáticos sem precedentes com o aquecimento do clima.

Além de informar as ciências climáticas, Os resultados da Mascaro terão impactos de longo alcance para as redes de pesquisa atualmente ativas na ASU, como a Rede de Pesquisa em Sustentabilidade de Resiliência Urbana a Extremos e o Centro de Decisão para uma Cidade Deserta.

UREx SRN promove a transição das áreas urbanas contemporâneas para as cidades do futuro. Essas cidades terão flexibilidade, adaptável, infraestrutura socialmente justa e com base ecológica que permanece resiliente mesmo durante o aumento da ocorrência de eventos climáticos extremos. Os pesquisadores da UREx SRN analisam os extremos nas áreas urbanas para descobrir como atualizar os padrões de projeto para a infraestrutura do futuro. A pesquisa de Mascaro pode ajudar a analisar a incerteza dos modelos estatísticos atuais usados ​​para projetar e operar a infraestrutura.

Uma mudança nos padrões de precipitação, incluindo extremos, também terá impacto sobre os recursos hídricos da região. Assim, O DCDC pode usar os modelos de chuva de Mascaro para ajudar a avançar no conhecimento sobre a tomada de decisão com incerteza no contexto da sustentabilidade da água e adaptação às mudanças climáticas urbanas.

"Se confiarmos na capacidade dos modelos climáticos de reproduzir padrões climáticos em grande escala que causam chuvas extremas, podemos quantificar como a frequência desses padrões mudará em futuros cenários de emissão de gases de efeito estufa, "Mascaro disse." Podemos combinar essas informações com as análises estatísticas sobre os extremos de chuva observados pelos medidores para obter uma previsão mais realista da distribuição futura da chuva em escalas locais. "