Hydrological extremes in Brazil: large-scale patterns, mechanisms, and change

Abstract

Extremos hidrológicos são uma preocupação crescente em todo o mundo. No entanto, análises conjuntas de cheias e secas são escassas, os mecanismos de geração e as causas de suas mudanças não são compreendidas em diversas regiões. O objetivo desta tese é investigar como as cheias e as secas hidrológicas são geradas no Brasil, detectar e atribuir suas mudanças nos últimos 40 anos e analisar variabilidades decenais nos últimos 80 anos. Este estudo enfoca na análise de dados observados em larga escala. No Capítulo 2, apresentamos um novo conjunto de dados para estudos hidrológicos de larga escala no Brasil. São incluídas informações sobre vazão dos rios, clima, solo, geologia, cobertura da terra e interferência humana no ciclo da água. No Capítulo 3, nós investigamos os principais mecanismos geradores de cheias analisando as suas sazonalidades em função da umidade do solo e chuvas intensas. Na maior parte do Brasil, exceto no sul e sudeste, a sazonalidade das cheias está alinhada principalmente com a sazonalidade dos picos de umidade do solo. Isso mostra que as cheias são moduladas pela umidade antecedente do solo, e não pela magnitude da chuva de evento, destacando a importância da capacidade de armazenamento de água no solo na geração de cheias. No Capítulo 4, nós exploramos os mecanismos que geram as secas hidrológicas com um novo modelo conceitual, que permite uma análise espacial em várias escalas e reduz o impacto da escolha subjetiva dos atributos de bacia analisados. Os resultados mostram que características da bacia associadas à dinâmica de armazenamento de água controlam a variabilidade espacial das secas em escalas regionais (menores que 106 km2), porém ambas as características da bacia e o clima governam as secas em escalas continentais (maiores que 107 km2). Geologia controla a maior parte da variabilidade em todas as escalas espaciais, especialmente o tipo e a formação do substrato rochoso, apontando para maior importância do armazenamento de água da bacia do que da variabilidade climática. No Capítulo 5, uma análise conjunta de mudanças nas cheias e secas mostra que o ciclo da água tem acelerado em 29% do Brasil entre 1980 e 2015, com aumento na magnitude das cheias e secas hidrológicas. A aceleração está alinhada com desmatamento e aumento na magnitude das chuvas intensas. Além disso, em 42% do Brasil, as secas hidrológicas aumentaram em até 37% por década, associado à redução das chuvas e ao aumento da captação de água para irrigação. O Capítulo 6 explora como as cheias e secas se agrupam no tempo em escalas (multi)decenais de 1940 a 2020. Períodos anômalos com maior ocorrência de secas são duas vezes mais frequentes que para as cheias, fato associado à variabilidade das chuvas devido a anomalias nos oceanos Pacífico e Atlântico. As décadas de 2000 e 2010 foram marcadas por secas recorde, associados ao aumento de captação de água. Esta tese avança a pesquisa sobre extremos hidrológicos de três maneiras. Primeiro, fornecendo evidências de que ambas as cheias e secas hidrológicas são controladas por características da bacia e armazenamento da água, que atenua a variabilidade climática, com diversas regiões com armazenamentos discordantes no solo (vinculadas às cheias) e água subterrânea (vinculadas às secas). Segundo, a análise consistente da aceleração do ciclo da água, por meio da investigação conjunta de cheias e secas, fornece uma nova perspectiva sobre futuras mudanças nos extremos hidrológicos. Terceiro, ao revelar que as cheias e secas mais intensas do século são frequentemente agrupadas em uma ou duas décadas, embora duas vezes mais comum para as secas, mostram-se evidências de assimetrias em suas variabilidades de longo prazo. Os resultados desta tese revelam que a exploração conjunta de cheias e secas é uma abordagem promissora para compreender como os extremos hidrológicos são gerados.

Abstract: Hydrological extremes are a growing concern worldwide. However, joint studies of floods and droughts are scarce, their generating mechanisms are unknown in many regions, and the causes of their recent changes remain elusive. The goal of this thesis is to investigate how floods and hydrological droughts are generated in Brazil, to detect and attribute their changes in the last 40 years, and to examine decadal their variabilities in the last 80 years. This study focuses on large-scale, data-driven approaches and comparisons of floods and droughts. In Chapter 2, we present a new data set for large-scale hydrological studies in Brazil. It includes information on streamflow, climate, soil, geology, land cover, and human interference on the water cycle. In Chapter 3, we investigate the main mechanisms of floods by examining flood seasonalities as a function of soil moisture and intense rainfall. We find that in most of Brazil, except for the south and southeast, the timing of floods is aligned mainly with that of soil moisture peaks. This shows that floods are modulated by antecedent soil wetness rather than by event rainfall magnitude, highlighting the importance of soil water storage capacities for flood generation. In Chapter 4, we explore drought flow generating mechanisms with a process-based conceptual model, enabling a multiscale spatial analysis and reducing the impact of a subjective choice of basin attributes. Results show that basin characteristics linked to water storage dynamics control the drought flow spatial variability on regional scales (smaller than 106 km2), while both basin characteristics and climate govern drought flows on continental scales (larger than 107 km2). Geology is the main control on every spatial scale, particularly bedrock type and formation, pointing to a higher importance of basin water storage than climatic variability. In Chapter 5, a joint analysis of flood and drought flow change shows that the water cycle has been accelerating in 29% of Brazil in 1980-2015, with increasing flood magnitudes but decreasing drought flows. The acceleration is aligned with deforestation and increased magnitudes of intense rainfall. Additionally, 42% of Brazil experienced decreasing flood and drought flows by up to 37% per decade, driven by reduced rainfall and rising water abstraction for irrigation. Chapter 6 explores how floods and droughts cluster in time at (multi)decadal scales from 1940 to 2020. Drought-rich periods are twice as likely as flood-rich periods, which is related to rainfall variability due to anomalies in the Pacific and Atlantic oceans. The 2000s and 2010s were marked by record low flows, associated with increased water abstractions. This thesis advances research on hydrological extremes in three directions. First, by providing evidence that both floods and hydrological droughts are controlled by basin characteristics representing water storage dynamics, which attenuate the climatic variability, with further insights possible by contrasting storage capacities in the soil (linked to floods) and groundwater compartments (linked to droughts). Second, by finding a consistent signal of the acceleration of the water cycle through joint analyses of floods and droughts, providing a new perspective on future changes in hydrological extremes. Third, by showing that the most intense floods and droughts of the century are often clustered into one or two decades, although twice as frequently for droughts, providing evidence of asymmetries in their long-term variabilities. Our findings highlight that exploring floods and droughts jointly is a promising approach for understanding the generating mechanisms of hydrological extremes.