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Data-driven hydrology: rainfall modeling in forest ecosystems using machine learning

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Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos

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Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG)

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Tecnológico

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Meio ambiente

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 6: Água potável e saneamento
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima
ODS 15: Vida terrestre

Dados abertos

Resumo

Este estudo desenvolve um Marco Metodológico Integrado baseado em Aprendizado de Máquina (Machine Learning – ML) para a reconstrução, modelagem e transformação da precipitação em ecossistemas florestais sazonais, abordando conjuntamente disponibilidade de dados, variabilidade hidrológica e os processos ecohidrológicos fundamentais que controlam a entrada de água no solo. Primeiramente, propõe-se uma metodologia robusta para reconstrução de séries horárias e diárias contínuas em regiões com redes de monitoramento incompletas. A abordagem combina controle automatizado de qualidade por meio de detecção não supervisionada de anomalias, correção de viés de produtos satelitais e de reanálise, e identificação ótima de modelos com base em critérios multiobjetivo que equilibram acurácia estatística e consistência hidrológica. Os resultados demonstram que modelos de ML treinados com dados submetidos a controle de qualidade superam significativamente métodos estatísticos tradicionais, preservando a variabilidade convectiva essencial para aplicações hidrológicas em ecossistemas tropicais. O estudo avança na modelagem da precipitação ao incorporar explicitamente processos de interceptação pelo dossel florestal. Utilizando ensembles de ML e um conjunto de preditores hidrologicamente interpretáveis, observa-se forte variabilidade espaço-temporal na interceptação, inadequadamente representada por coeficientes constantes. De forma geral, o estudo demonstra que a reconstrução da precipitação e sua transformação em precipitação efetiva são processos inseparáveis na ecohidrologia de florestas sazonais, contribuindo com ferramentas reproduzíveis para análise do ciclo hidrológico e gestão de recursos hídricos.

Abstract

This study develops an Integrated Methodological Framework based on Machine Learning (ML) for the reconstruction, modeling, and transformation of rainfall in seasonal forest ecosystems, jointly addressing data availability, hydrological variability, and the fundamental ecohydrological processes controlling water input to the soil. First, a robust methodology is proposed for reconstructing continuous hourly and daily rainfall series in regions with incomplete monitoring networks. The approach combines automated quality control through unsupervised anomaly detection, bias correction of satellite and reanalysis products, and optimal model identification based on multi-objective criteria that balance statistical accuracy and hydrological consistency. Results show that ML models trained on quality-controlled data significantly outperform traditional statistical methods while preserving convective variability, which is essential for hydrological applications in tropical ecosystems. The study advances rainfall modeling by explicitly incorporating forest canopy interception processes. Using Machine Learning ensembles and hydrologically interpretable predictors, the models reveal strong spatiotemporal variability in interception, which cannot be adequately represented by constant coefficients. Overall, the study demonstrates that rainfall reconstruction and its transformation into effective precipitation are inseparable processes in the ecohydrology of seasonal forests, providing reproducible tools for hydrological cycle analysis, ecohydrological modeling, and water resources management in tropical forest ecosystems.

Descrição

Área de concentração

Engenharia de Recursos Hídricos

Linha de pesquisa

Hidrologia

Agência de desenvolvimento

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VEGA, Alejandra Bustillos. Data-driven hydrology: rainfall modeling in forest ecosystems using machine learning. 2026. 226 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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