Spatiotemporal variability of extreme precipitation in Ecuador (1991-2020): Wavelet coherence and non-parametric trend analysis by homogeneous zones

Resumo Técnico: Variabilidade Espaciotemporal da Precipitação Extrema no Equador (1991-2020)

Definição do Problema
Embora o El Niño-Oscilação Sul (ENSO) seja reconhecido como um dos principais impulsionadores da variabilidade climática interanual no Equador, seus impactos espaciais específicos na escala de microbacias homogêneas e em eventos de precipitação extrema requerem uma análise mais granular. O aquecimento global antropogênico alterou a circulação atmosférica regional, aumentando a frequência e a intensidade de desastres hidrometeorológicos. Compreender os impactos locais dessas mudanças é essencial para o desenho de medidas de adaptação eficazes. No entanto, a complexa orografia andina cria regiões climáticas distintas (Costa, Serra e Amazônia) onde as teleconexões do ENSO interagem de forma diferente com a topografia local e a dinâmica atmosférica. Além disso, a coexistência de oscilações de alta frequência (quase bienais, 2–4 anos) e baixa frequência (clássico ENSO, 5–8 anos) complica a previsão de impactos hidrológicos, necessitando de métodos analíticos avançados para decompor os sinais temporais.

Metodologia
Este estudo analisou dados diários de precipitação de 1991 a 2020 em 433 estações meteorológicas geridas pelo Instituto Nacional de Meteorologia e Hidrologia (INAMHI). Os dados passaram por um rigoroso controle de qualidade e homogeneização utilizando o pacote Climatol em R, complementado pelos dados de satélite CHIRPS e pela reanálise ERA5 para abordar a heterogeneidade espacial e as lacunas nas estações.

A análise seguiu uma abordagem de três estágios:

1. Regionalização e Extração de Sinal: As estações foram agrupadas em 22 zonas de precipitação homogênea definidas por Ilbay-Yupa et al. (2021). Uma Análise de Componentes Principais (PCA) foi aplicada aos dados diários homogeneizados de cada zona para extrair o primeiro componente principal (PC1), que representa a máxima variância espacial. Este PC1 adimensional foi fisicamente escalonado para milímetros (mm) para criar um sinal de precipitação regional diária representativo.
2. Análise de Coerência de Wavelet (WTC): A relação temporal entre o PC1 regional escalonado e o índice de temperatura da superfície do mar Niño 1+2 foi avaliada por meio de Coerência de Wavelet. A análise focou em duas bandas de frequência: alta frequência (2–4 anos) e baixa frequência (5–8 anos). A presença de sinais de ENSO foi determinada pelo excesso do limiar de confiança de 95%. Um teste de McNemar não paramétrico foi aplicado para comparar a proporção de presença/ausência de ENSO entre essas duas bandas de frequência em cada zona.
3. Índices Extremos e Análise de Tendência: Oito índices de precipitação extrema ETCCDI (PRCPTOT, RX1day, RX5day, R95p, R10mm, CDD, CWD, SDII) foram calculados anualmente. As tendências foram avaliadas por meio de regressão linear e pelo teste não paramétrico de Mann-Kendall (nível de confiança de 95%). O teste de Mann-Kendall Sequencial (SQMK) foi empregado para identificar os anos exatos de início de mutações ou transições climáticas abruptas.

Principais Resultados

• Heterogeneidade Espectral: A análise de coerência de wavelet revelou uma marcada heterogeneidade espacial na resposta ao ENSO. Diferenças significativas na proporção de presença de ENSO entre alta e baixa frequências foram detectadas nas zonas costeiras e do sul (especificamente Zonas 2, 5, 7, 15, 18, 19, 20 e 22). O sinal de alta frequência (2–4 anos) quase bienal exerceu um controle predominante sobre as zonas costeiras e do sudoeste, enquanto as regiões interandinas e amazônicas mostraram teleconexões menos consistentes, mediadas por fatores topográficos.
• Tendências de Precipitação Extrema: A maioria das zonas exibiu estabilidade nos índices de precipitação extrema durante o período de 30 anos. Tendências de aumento estatisticamente significativas foram localizadas:
  • RX1day (máxima de 1 dia): Aumentos significativos nas Zonas 6, 8 e 21.
  • PRCPTOT (Precipitação total em dias úmidos) e R95p (Dias muito úmidos): Aumentos significativos nas Zonas 19 e 20.
  • SDII (Intensidade): Aumentos significativos nas Zonas 8, 15, 16, 18, 19 e 20.
• Mutações Abruptas: O teste SQMK identificou transições climáticas abruptas concentradas em três períodos específicos: 1992–1994, 1997–1998 e 2019–2020. Estes pontos de mutação alinham-se cronologicamente com grandes eventos históricos de El Niño.

Significância e Alegações
O estudo demonstra que a resposta da precipitação extrema ao forçamento do ENSO no Equador não é uniforme, mas caracterizada por uma marcada heterogeneidade espacial dependente da banda de frequência da oscilação. Os resultados indicam que os sinais de alta frequência modulam o clima de forma diferente dos sinais de baixa frequência, particularmente nas regiões costeiras e do sul.

Os autores afirmam que estes resultados fornecem informações críticas para a gestão de riscos de desastres ao revelar que:

1. Os impactos do ENSO não se manifestam uniformemente em todo o território continental; a escala local e a regionalização são essenciais para um planeamento de risco preciso.
2. A oscilação quase bienal modula fortemente eventos hidrológicos extremos, um fator que deve ser considerado juntamente com os modos clássicos do ENSO.
3. A identificação de pontos de mutação específicos alinhados com grandes eventos de aquecimento sugere que as reorganizações climáticas regionais são forçadas por anomalias oceânicas de grande escala.

O artigo conclui que, embora a variabilidade da precipitação extrema permaneça estável na maioria das zonas, o aumento localizado de chuvas torrenciais de curta duração em zonas costeiras e de vertente oriental específicas exige a incorporação da delimitação de zonas homogêneas no desenho de infraestruturas hidráulicas e nas estratégias de adaptação às mudanças climáticas.