As inundações são agora responsáveis por quase 40% dos desastres climáticos globais e a sua frequência mais do que duplicou desde 2000, de acordo com o Gabinete das Nações Unidas para a Redução do Risco de Desastres. Os seus danos ascendem a quase 388 mil milhões de dólares por ano, enquanto as secas, também mais frequentes, perturbam o equilíbrio hídrico em todo o planeta.
Para enfrentar estas ameaças, uma equipa de investigadores liderada por Chaopeng Shen, professor de engenharia civil e ambiental na Penn State University, desenvolveu um novo tipo de modelo hidrológico global. Publicado em Comunicações da Naturezaeste modelo combina ointeligência artificial e as leis físico do ciclo da água para fornecer previsões de cheias e ferramentas de gestão de recursos numa escala sem precedentes.
Capaz de representar áreas de 36 km² em todo o mundo, e até 6 km² nas regiões mais bem documentadas, o modelo oferece resolução e precisão nunca antes alcançada na hidrologia global. “ Graças à sua cobertura global, à sua excelente resolução e à sua elevada qualidade, este modelo poderá tornar-se um verdadeiro instrumento de tomada de decisão, inclusive para regiões subdesenvolvidas. », sublinha Chaopeng Shen.
Uma fusão de IA e física para entender melhor o ciclo da água
O que distingue este modelo é a sua dupla abordagem: uma rede neural capaz de aprender com bilhões de pontos de dados, juntamente com um sistema físico baseado em equações descrevendo os processos reais (precipitação, infiltração do solo, recarga de águas subterrâneas, escoamento dos rios ou mesmo evapotranspiração).
A rede neural aprende gradativamente os parâmetros que controlam esses fenômenos e ajusta os valores em tempo real para corrigir áreas mal informadas. Este método, denominado programação diferenciável, permite que o modelo melhore continuamente com base nas observações.
“ As redes neurais são excelentes para aprender com grandes dadosmas limitado quando saem da área de treinamento. É por isso que é crucial combiná-los com uma base física sólido “, explica Chaopeng Shen. hibridização torna o modelo mais robusto, especialmente em áreas do mundo onde os dados são escassos.
Lições valiosas para um mundo em mudança
Ao aplicar o seu modelo, os investigadores descobriram que o equilíbrio hídrico global, entre rios, águas subterrâneas e paisagem, não é constante: varia muito dependendo dos anos e das regiões, sob o efeito das alterações climáticas. Na Europa, por exemplo, o Velocidade dos rios diminuiu, levando a um aumento na salinidade estuários e perturbando o ecossistemas local.
Distribuição global de água simulada pelo modelo global, em comparação com observações. Estes mapas destacam os desequilíbrios hídricos regionais e as variações no ciclo da água entre 2001 e 2020. © Shen e al., Comunicações da Natureza2025
O modelo também permitiu analisar a evolução do comportamento dos rios diante das chuvas, revelando rápidas mudanças na dinâmica das enchentes e recessões em todo o mundo.
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Para Chaopeng Shen, este avanço poderá transformar a forma como as sociedades gerem a água, prevêem inundações e planeiamirrigação. Os próximos passos incluirão a adição de módulos para monitorar a qualidade da água, nutrientes e até mapear águas subterrâneas em 3D.
“ Este modelo revoluciona a hidrologia globalconclui Chaopeng Shen. Abre caminho para uma gestão mais justa, mais inteligente e mais sustentável da água, um recurso vital mas cada vez mais ameaçado. »