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

dc.contributor.advisorMello, Carlos Rogério de
dc.contributor.co-advisorHeisenberg, Gernot
dc.contributor.refereeCoelho, Gilberto
dc.contributor.refereeRodrigues, André Ferreira
dc.contributor.refereeBeskow, Samuel
dc.creatorVega, Alejandra Bustillos
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7764581060817062
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0002-1264-8598
dc.date.accessioned2026-06-26T15:38:30Z
dc.date.issued2026-03-06
dc.description.abstractThis 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.
dc.description.acaoclimatica2. Uso sustentável da água e do solo
dc.description.areastematicasdaextensaoMeio ambiente
dc.description.concentrationEngenharia de Recursos Hídricos
dc.description.odsODS 6: Água potável e saneamento
dc.description.odsODS 13: Ação contra a mudança global do clima
dc.description.odsODS 15: Vida terrestre
dc.description.researchLineHidrologia
dc.description.resumoEste 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.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG)
dc.description.tipodeimpactoTecnológico
dc.identifier.citationVEGA, 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.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufla.br/handle/1/60949
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Lavras
dc.publisher.collegeEscola de Engenharia (EENG)
dc.publisher.countrybrasil
dc.publisher.initialsUFLA
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Recursos Hídricos
dc.relation.ispartofRecovering the atmospheric water input to a tropical atlantic forest: machine learning reconstruction of precipitation records with physically consistent reanalysis predictors and process-oriented multi-objective evaluation
dc.relation.ispartofMemory-driven rainfall interception in a seasonal atlantic forest: a physical-enhanced machine learning approach to identify the key determinants of spatiotemporal variability
dc.rightsAttribution 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
dc.subjectHydrology
dc.subjectMachine learning
dc.subjectRainfall modeling
dc.subjectData-driven hydrology
dc.subjectRainfall reconstruction
dc.subjectForest interception
dc.subjectEcohydrology
dc.subjectTropical seasonal forests
dc.subjectHidrologia orientada por dados
dc.subjectAprendizado de máquina
dc.subjectInterceptação florestal
dc.subjectEcohidrologia
dc.subjectFlorestas sazonais tropicais
dc.subject.cnpqHidrologia
dc.titleData-driven hydrology: rainfall modeling in forest ecosystems using machine learning
dc.title.alternativeHidrologia orientada por dados: modelagem de precipitação em ecossistemas florestais usando aprendizado de máquina
dc.typetese

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