pyForTraCC: a modular and scalable tracking algorithm applied to global precipitation

Precipitating systems (PSs) organize much of the global water cycle, yet their life cycles, kinematics, and variability remain less documented than grid-based precipitation statistics. This thesis develops and applies pyForTraCC, an open-source Python tracking algorithm derived from the classical ForTraCC methodology and extended for the global analysis of satellite precipitation fields. The library features a modular architecture with segmentation, clustering, and tracking components, supporting multi-threshold object definition and explicitly handling system merging and splitting. It implements a family of displacement-vector estimation and correction schemes, including an optical-flow-based approach. The resulting PS trajectories and attributes are stored in an analysis-ready geospatial tracking database in columnar format, adhering to standardized principles of data accessibility and reuse to facilitate direct querying and integration into modern workflows. The algorithm was applied to two state-of-the-art global satellite precipitation productsGSMaPMVK v8 (hourly), developed by the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), and GPM IMERG Final V07 (30-minute), produced under NASAs Global Precipitation Measurement missionin a 20152024 climatological study over 60°S60°N. This application demonstrates that pyForTraCC efficiently processes large global datasets and produces dynamically consistent PS tracks. Based on these tracks, the thesis builds a global census and climatology of PSs, encompassing statistics on occurrence, size, lifetime, life-cycle evolution, seasonality, as well as genesis and dissipation regions. The observed patterns are consistent with well-established knowledge regarding global precipitation systems reported in previous studies, validating the tracking frameworks suitability for climatological applications. As a concrete example, global PS area and duration statistics show that large, long-lived systems are concentrated over tropical and subtropical oceans, while continental systems tend to be smaller and shorter-lived. Furthermore, product-related differences are evident: the hourly GSMaP yields fewer, larger, and longer-lived systems, whereas IMERG resolves more numerous small, short-lived PSs, especially over land. Trends in PS activity were also investigated, revealing spatially heterogeneous but coherent changes in mean PS area and rainfall, with concurrent declines over the equatorial Pacific and increases across the IndoPacific monsoon belt and parts of the Southern Hemisphere midlatitudes. RESUMO: Sistemas precipitantes (SPs) organizam grande parte do ciclo hidrológico global, no entanto, seus ciclos de vida, cinemática e variabilidade permanecem menos documentados do que as estatísticas de precipitação baseadas em grade. Esta tese desenvolve e aplica o pyForTraCC, um algoritmo de rastreamento em Python de código aberto, derivado da metodologia clássica ForTraCC e estendido para a análise global de campos de precipitação estimados por satélite. A biblioteca apresenta uma arquitetura modular com componentes de segmentação, agrupamento e rastreamento, suportando a definição de objetos com múltiplos limiares e tratando explicitamente a fusão e divisão de sistemas. A ferramenta implementa uma família de esquemas de estimativa e correção de vetores de deslocamento, incluindo uma abordagem baseada em fluxo óptico. As trajetórias e atributos resultantes dos SPs são armazenados em um banco de dados geoespacial de rastreamento pronto para análise em formato colunar, aderindo a princípios padronizados de acessibilidade e reuso de dados para facilitar consultas diretas e a integração em fluxos de trabalho modernos. O algoritmo foi aplicado aos produtos globais GSMaPMVK v8 (horário, JAXA) e GPM IMERG Final V07 (30 min, NASA) numa climatologia de 20152024 entre 60°S 60°N. Esta aplicação demonstra que o pyForTraCC processa eficientemente grandes conjuntos de dados globais e produz trajetórias de SPs dinamicamente consistentes. Com base nessas trajetórias, a tese constrói um censo e uma climatologia global de SPs, abrangendo estatísticas sobre ocorrência, tamanho, tempo de vida, evolução do ciclo de vida e sazonalidade, bem como regiões de gênese e dissipação. Os padrões observados são consistentes com o conhecimento bem estabelecido sobre sistemas de precipitação globais relatado em estudos anteriores, validando a adequação desta estrutura de rastreamento para aplicações climatológicas. Como exemplo concreto, as estatísticas globais de área e duração dos SPs mostram que sistemas grandes e de longa vida estão concentrados sobre oceanos tropicais e subtropicais, enquanto os sistemas continentais tendem a ser menores e de vida mais curta. Além disso, diferenças relacionadas aos produtos são evidentes: o GSMaP horário resulta em menos sistemas, porém maiores e de vida mais longa, enquanto o IMERG resolve SPs mais numerosos, pequenos e de vida curta, especialmente sobre o continente. Tendências na atividade dos SPs também foram investigadas, revelando mudanças espacialmente heterogêneas, porém coerentes, na área média e na precipitação, com declínios simultâneos sobre o Pacífico equatorial e aumentos através do cinturão de monções do IndoPacífico e em partes das latitudes médias do Hemisfério Sul.