Análisis multifractal del índice de precipitación estandarizado
DOI:
https://doi.org/10.33448/rsd-v10i7.16535Palabras clave:
Multifractal; Precipitación; SPI; Pernambuco.Resumen
En muchos países tropicales, incluido Brasil, se ha observado que los cambios en los patrones de lluvia provocan graves inundaciones y sequías con una tendencia a seguir empeorando durante el siglo XXI. Para reducir las consecuencias sobre la vida y la salud humana, las actividades económicas, los ecosistemas y la infraestructura, teniendo en cuenta las medidas de protección eficientes, es necesario desarrollar los modelos de predicción más fiables. El primer paso en esta dirección es un análisis detallado de la variabilidad climática en la región estudiada. En este trabajo, analizamos las propiedades multifractivas de la serie temporal del índice de precipitación estándarizado - SPI desarrollado para clasificar las condiciones secas/húmedas según la severidad. Este índice se calculó para diferentes escalas de tiempo (1, 3, 6 y 12 meses) y se analizó mediante el método de Multifractal detrended fluctuation analysis. Los parámetros de complejidad del espectro multifractal (posición de máxima, ancho y asimetría) junto con el exponente de Hurst mostraron que las series SPI son generadas por el proceso multifractal con multifractalidad y persistencia más fuerte para escalas más grandes de acumulación de lluvia.
Citas
Abramowitz, M., Stegun, I. A., & Romer, R. H. (1988). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. American Journal of Physics, 56(10), 958–958. http://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.15378
Adarsh, S., Kumar, D. N., Deepthi, B., Gayathri, G., Aswathy, S. S., & Bhagyasree, S. (2019). Multifractal characterization of meteorological drought in India using detrended fluctuation analysis. International Journal of Climatology, 39(11), 4234–4255. John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/10.1002/joc.6070
Asadi Zarch, M. A., Sivakumar, B., & Sharma, A. (2015). Droughts in a warming climate: A global assessment of Standardized precipitation index (SPI) and Reconnaissance drought index (RDI). Journal of Hydrology, 526, 183–195. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002216941400763X
Barreto, I. D. de C., & Stosic, T. (2021). Multifractal analysis of rainfall in coastal area in Pernambuco, Brazil. Research, Society and Development, 10(2), e15410212424. https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/12424
Buttafuoco, G., Caloiero, T., & Coscarelli, R. (2015). Analyses of Drought Events in Calabria (Southern Italy) Using Standardized Precipitation Index. Water Resources Management, 29(2), 557–573. https://doi.org/10.1007/s11269-014-0842-5
Chadwick, R., Good, P., Martin, G., & Rowell, D. P. (2016). Large rainfall changes consistently projected over substantial areas of tropical land. Nature Climate Change, 6(2), 177–181. Nature Publishing Group. http://www.nature.com/articles/nclimate2805
Douglas, E. M., & Barros, A. P. (2003). Probable Maximum Precipitation Estimation Using Multifractals: Application in the Eastern United States. Journal of Hydrometeorology, 4(6), 1012–1024. http://journals.ametsoc.org/doi/10.1175/1525-7541(2003)004%3C1012:PMPEUM%3E2.0.CO;2
Fuwape, I. A., Ogunjo, S. T., Oluyamo, S. S., & Rabiu, A. B. (2017). Spatial variation of deterministic chaos in mean daily temperature and rainfall over Nigeria. Theoretical and Applied Climatology, 130(1), 119–132. https://doi.org/10.1007/s00704-016-1867-x
García-Marín, A. P., Estévez, J., Medina-Cobo, M. T., & Ayuso-Muñoz, J. L. (2015). Delimiting homogeneous regions using the multifractal properties of validated rainfall data series. Journal of Hydrology, 529, 106–119. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022169415005181
García‐Marín, A. P., Jiménez‐Hornero, F. J., & Ayuso‐Muñoz, J. L. (2008). Multifractal analysis as a tool for validating a rainfall model. Hydrological Processes, 22(14), 2672–2688. http://doi.wiley.com/10.1002/hyp.6864
Hasegawa, A., Gusyev, M., & Iwami, Y. (2016). Meteorological Drought and Flood Assessment Using the Comparative SPI Approach in Asia Under Climate Change. Journal of Disaster Research, 11(6), 1082–1090.
Hurst, H. E. (1951). Long-Term Storage Capacity of Reservoirs. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 116(1), 770–799. http://ascelibrary.org/doi/10.1061/TACEAT.0006518
Jain, V. K., Pandey, R. P., Jain, M. K., & Byun, H.-R. (2015). Comparison of drought indices for appraisal of drought characteristics in the Ken River Basin. Weather and Climate Extremes, 8, 1–11. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212094715000213
Jha, S. K., & Sivakumar, B. (2017). Complex networks for rainfall modeling: Spatial connections, temporal scale, and network size. Journal of Hydrology, 554, 482–489. Elsevier. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022169417306340
Kantelhardt, J. W., Koscielny-Bunde, E., Rybski, D., Braun, P., Bunde, A., & Havlin, S. (2006). Long-term persistence and multifractality of precipitation and river runoff records. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D1). John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/10.1029/2005JD005881
Kantelhardt, J. W., Zschiegner, S. A., Koscielny-Bunde, E., Havlin, S., Bunde, A., & Stanley, H. E. (2002). Multifractal detrended fluctuation analysis of nonstationary time series. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 316(1–4), 87–114. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378437102013833
Kostopoulou, E., Giannakopoulos, C., Krapsiti, D., & Karali, A. (2017). Temporal and Spatial Trends of the Standardized Precipitation Index (SPI) in Greece Using Observations and Output from Regional Climate Models (pp. 475–481). http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-35095-0_68
Marengo, J. A., & Bernasconi, M. (2015). Regional differences in aridity/drought conditions over Northeast Brazil: present state and future projections. Climatic Change, 129(1–2), 103–115. http://link.springer.com/10.1007/s10584-014-1310-1
McKee, T. B., Doesken, N. J., & Kleist, J. (1993). The relationship of drought frequency and duration to time scales. Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology (Vol. 17, pp. 179–183). Boston.
Ogunjo, S. T. (2021). Multifractal Properties of Meteorological Drought at Different Time Scales in a Tropical Location. Fluctuation and Noise Letters, 20(01), 2150007. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0219477521500073
Palmer, W. C. (1968). Keeping Track of Crop Moisture Conditions, Nationwide: The New Crop Moisture Index. Weatherwise, 21(4), 156–161. Routledge. https://doi.org/10.1080/00431672.1968.9932814
Santana, L. I. T. de, Silva, A. S. A. da, Menezes, R. S. C., & Stosic, T. (2020). Recurrence quantification analysis of monthly rainfall time series in Pernambuco, Brazil. Research, Society and Development, 9(9), e637997737. https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/7737
Santos, J. F., Pulido-Calvo, I., & Portela, M. M. (2010). Spatial and temporal variability of droughts in Portugal. Water Resources Research, 46(3). http://doi.wiley.com/10.1029/2009WR008071
Silva, A. S. A., Menezes, R. S. C., Rosso, O. A., Stosic, B., & Stosic, T. (2021). Complexity entropy-analysis of monthly rainfall time series in northeastern Brazil. Chaos, Solitons & Fractals, 143, 110623. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960077920310146
Silva, A. S. A., Menezes, R. S. C., Telesca, L., Stosic, B., & Stosic, T. (2021). Fisher Shannon analysis of drought/wetness episodes along a rainfall gradient in Northeast Brazil. International Journal of Climatology, 41(S1). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/joc.6834
Silva, H. S., Silva, J. R. S., & Stosic, T. (2020). Multifractal analysis of air temperature in Brazil. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 549, 124333. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378437120301114
Sivakumar, B., & Singh, V. P. (2012). Hydrologic system complexity and nonlinear dynamic concepts for a catchment classification framework. Hydrology and Earth System Sciences, 16(11), 4119–4131. https://www.hydrol-earth-syst-sci.net/16/4119/2012/
Stosic, T., Nejad, S. A., & Stosic, B. (2020). MULTIFRACTAL ANALYSIS OF BRAZILIAN AGRICULTURAL MARKET. Fractals, 28(05), 2050076. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218348X20500760
Svoboda, M., Hayes, M., & Wood, D. (2012). Standardized precipitation index user guide. World Meteorological Organization Geneva, Switzerland. Geneva, Switzerland.
Tan, X., & Gan, T. Y. (2017). Multifractality of Canadian precipitation and streamflow. International Journal of Climatology, 37, 1221–1236. http://doi.wiley.com/10.1002/joc.5078
Tatli, H., & Dalfes, H. N. (2020). Long-Time Memory in Drought via Detrended Fluctuation Analysis. Water Resources Management, 34(3), 1199–1212. https://doi.org/10.1007/s11269-020-02493-9
Telesca, L., & Toth, L. (2016). Multifractal detrended fluctuation analysis of Pannonian earthquake magnitude series. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 448, 21–29. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378437115011231
Thom, H. C. S. (1958). A NOTE ON THE GAMMA DISTRIBUTION. Monthly Weather Review, 86(4), 117–122. http://journals.ametsoc.org/doi/10.1175/1520-0493(1958)086%3C0117:ANOTGD%3E2.0.CO;2
Vicente-Serrano, S. M., Beguería, S., & López-Moreno, J. I. (2010). A multiscalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index. Journal of climate, 23(7), 1696–1718.
Zorick, T., & Mandelkern, M. A. (2013). Multifractal Detrended Fluctuation Analysis of Human EEG: Preliminary Investigation and Comparison with the Wavelet Transform Modulus Maxima Technique. (C. M. Aegerter, Ed.)PLoS ONE, 8(7), e68360. https://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0068360
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