O caso apresentado é o de um nome próprio que constitui um composto, e não uma palavra prefixada. A hifenização dos compostos não se confunde com as regras enunciadas para os prefixos1.
Se com a denominação em questão se pretende referir uma região que é simultaneamente de serra e se encontra no centro de um território, então, a expressão adequada é Centro-Serra, à semelhança dos casos enumerados no fim da pergunta, os quais, no entanto, são exemplos não de compostos, mas de encadeamentos vocabulares ocasionais (p. ex. «a estrada Rio de Janeiro-Petrópolis»)2. Mesmo assim, atendendo a que Centro-Serra é um nome próprio que parece ter origem num encadeamento vocabular que se cristalizou, um pouco como combinação histórica Áustria-Hungria, não é descabido apor-lhe um hífen3.
Observe-se que há efetivamente oscilações gráficas na escrita do nome em questão, como se observa nas páginas do sítio eletrónico da Secretaria de Desenvolvimento Económico e Turismo do Estado do Rio Grande do Sul. Contudo, considerando casos de outros geónimos brasileiros formados por composição como Centro-Oeste, a grafia Centro-Serra salienta-se, entre outras variantes, como boa solução, até
1 A hifenização de compostos é definida pela Base XV do Acordo Ortográfico da Língua Portuguesa de 1990 (AO 90). Note-se que a norma brasileira anterior, a do Formulário Ortográfico de 1943, era omissa a este respeito (ver parte XVI, secção 46). Não assim o Acordo Ortográfico de 1945, cuja Base XXXII previa a hifenização dos encadeamentos vocabulares ocasionais, apesar de os não considerar palavras compostas.
2 N.E. (22/10/2019) – Alterou-se a frase de maneira a clarificar o que se entende por «palavras que ocasionalmente se combinam», conforme se lê na Base XXXII do Acordo Ortográfico de 1945, documento que teve plena vigência em Portugal até 2009. Esta maneira de descrever os encadeamentos vocabulares é retomada pelo AO 90, onde o encadeamento incluído na expressão «ponte Rio-Niterói» ou a simples associação de dois topónimos como «Tóquio-Rio de Janeiro» constituem uma associação ocasional, ao que parece (no AO 90 não se explicita uma definição), no sentido em que são sequências formadas por unidades onomásticas autónomas, que marcam elipticamente uma direção («ponte que vai do Rio a Niterói») ou um nexo de coordenação («Tóquio e Rio de Janeiro»).
3 Cf. Base XV, secção 7, do AO 90.
