Μοντέλο-παιχνίδι για την κλιματική μεταβλητότητα με ομοιοθετική συμπεριφορά

D. Koutsoyiannis, A toy model of climatic variability with scaling behaviour, Journal of Hydrology, 322, 25–48, 2006.

[Μοντέλο-παιχνίδι για την κλιματική μεταβλητότητα με ομοιοθετική συμπεριφορά]

[doc_id=648]

[Αγγλικά]

Καταδεικνύεται ότι ένα απλό ντετερμινιστικό μοντέλο σε διακριτό χρόνο μπορεί να αναπαραγάγει την ομοιοθετική συμπεριφορά των υδροκλιματικών διεργασιών σε υπερετήσιες χρονικές κλίμακες, η οποία είναι περισσότερο γνωστή στην υδρολογία ως "φαινόμενο Hurst". Αυτό το μοντέλο-παιχνίδι βασίζεται σε μια γενικευμένη "χαοτική απεικόνιση τέντας", η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως το συνδυασμένο αποτέλεσμα ενός θετικού και ενός αρνητικού μηχανισμού ανάδρασης, και περιλαμβάνει δύο βαθμούς ελευθερίας. Το μοντέλο δεν αντιπροσωπεύει με ρεαλιστικό τρόπο το κλιματικό σύστημα, αλλά αποτελεί μια ριζική απλοποίηση της πραγματικής κλιματικής δυναμικής. Ωστόσο, η απλότητά του βοηθά στην κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που προκαλούν την ομοιοθετική συμπεριφορά και ταυτόχρονα επιτρέπει την εύκολη εφαρμογή και τον άνετο πειραματισμό. Η εφαρμογή του μοντέλου παράγει συνθετικές χρονοσειρές που μοιάζουν με τις ιστορικές χρονοσειρές υδροκλιματικών μεταβλητών, όπως της θερμοκρασίας της βροχής και της απορροής. Ιδιαίτερα, οι συνθετικές χρονοσειρές εμφανίζουν ομοιοθετική συμπεριφορά με συντελεστή Hurst μεγαλύτερο από 0.5 και συνάρτηση πυκνότητας παρόμοια με αυτά των παρατηρημένων χρονοσειρών. Επιπλέον, η εφαρμογή δείχνει ότι συνθετικές "κλιματικές" διακυμάνσεις μεγάλης χρονικής κλίμακας (όπως είναι οι ανοδικές και καθοδικές τάσεις) μπορεί να εμφανιστούν χωρίς κανένα ιδιαίτερο λόγο και ότι η εξέλιξή τους είναι απρόβλεπτη, ακόμη και όταν παράγονται από ένα τόσο απλό και πλήρως ντετερμινιστικό μοντέλο με μόνο δύο βαθμούς ελευθερίας. Προφανώς, όμως, το γεγονός ότι ένα τόσο απλό μοντέλο μπορεί να παραγάγει χρονοσειρές που αποτελούν ρεαλιστικά υποκατάστατα των πραγματικών κλιματικών χρονοσειρών δεν σημαίνει ότι το πραγματικό κλιματικό σύστημα στηρίζεται σε τόσο απλή δυναμική.

Το πλήρες κείμενο διατίθεται μόνο στο δίκτυο του ΕΜΠ λόγω νομικών περιορισμών

PDF Συμπληρωματικό υλικό:

Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2005.02.030

Εργασίες μας στις οποίες αναφέρεται αυτή η εργασία:

1. D. Koutsoyiannis, and D. Pachakis, Deterministic chaos versus stochasticity in analysis and modeling of point rainfall series, Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 101 (D21), 26441–26451, doi:10.1029/96JD01389, 1996.
2. D. Koutsoyiannis, The Hurst phenomenon and fractional Gaussian noise made easy, Hydrological Sciences Journal, 47 (4), 573–595, doi:10.1080/02626660209492961, 2002.
3. D. Koutsoyiannis, Climate change, the Hurst phenomenon, and hydrological statistics, Hydrological Sciences Journal, 48 (1), 3–24, doi:10.1623/hysj.48.1.3.43481, 2003.
4. D. Koutsoyiannis, Hydrological statistics for engineering design in a varying climate, EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, Nice, doi:10.13140/RG.2.2.16291.45602, European Geophysical Society, 2003.
5. D. Koutsoyiannis, and A. Efstratiadis, Climate change certainty versus climate uncertainty and inferences in hydrological studies and water resources management (solicited), European Geosciences Union General Assembly 2004, Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, Nice, doi:10.13140/RG.2.2.12726.29764, European Geosciences Union, 2004.
6. E. Rozos, A. Efstratiadis, I. Nalbantis, and D. Koutsoyiannis, Calibration of a semi-distributed model for conjunctive simulation of surface and groundwater flows, Hydrological Sciences Journal, 49 (5), 819–842, doi:10.1623/hysj.49.5.819.55130, 2004.
7. D. Koutsoyiannis, Reliability concepts in reservoir design, Water Encyclopedia, Vol. 4, Surface and Agricultural Water, edited by J. H. Lehr and J. Keeley, 259–265, doi:10.1002/047147844X.sw776, Wiley, New York, 2005.

Εργασίες μας που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία:

1. D. Koutsoyiannis, Uncertainty, entropy, scaling and hydrological stochastics, 2, Time dependence of hydrological processes and time scaling, Hydrological Sciences Journal, 50 (3), 405–426, doi:10.1623/hysj.50.3.405.65028, 2005.
2. D. Koutsoyiannis, Nonstationarity versus scaling in hydrology, Journal of Hydrology, 324, 239–254, 2006.
3. D. Koutsoyiannis, A. Efstratiadis, and K. Georgakakos, Uncertainty assessment of future hydroclimatic predictions: A comparison of probabilistic and scenario-based approaches, Journal of Hydrometeorology, 8 (3), 261–281, doi:10.1175/JHM576.1, 2007.
4. D. Koutsoyiannis, and A. Montanari, Statistical analysis of hydroclimatic time series: Uncertainty and insights, Water Resources Research, 43 (5), W05429, doi:10.1029/2006WR005592, 2007.
5. D. Koutsoyiannis, A. Efstratiadis, N. Mamassis, and A. Christofides, On the credibility of climate predictions, Hydrological Sciences Journal, 53 (4), 671–684, doi:10.1623/hysj.53.4.671, 2008.
6. G. G. Anagnostopoulos, D. Koutsoyiannis, A. Christofides, A. Efstratiadis, and N. Mamassis, A comparison of local and aggregated climate model outputs with observed data, Hydrological Sciences Journal, 55 (7), 1094–1110, doi:10.1080/02626667.2010.513518, 2010.
7. D. Koutsoyiannis, Hurst-Kolmogorov dynamics and uncertainty, Journal of the American Water Resources Association, 47 (3), 481–495, doi:10.1111/j.1752-1688.2011.00543.x, 2011.
8. D. Koutsoyiannis, A. Christofides, A. Efstratiadis, G. G. Anagnostopoulos, and N. Mamassis, Scientific dialogue on climate: is it giving black eyes or opening closed eyes? Reply to “A black eye for the Hydrological Sciences Journal” by D. Huard, Hydrological Sciences Journal, 56 (7), 1334–1339, doi:10.1080/02626667.2011.610759, 2011.
9. P.E. O’Connell, D. Koutsoyiannis, H. F. Lins, Y. Markonis, A. Montanari, and T.A. Cohn, The scientific legacy of Harold Edwin Hurst (1880 – 1978), Hydrological Sciences Journal, 61 (9), 1571–1590, doi:10.1080/02626667.2015.1125998, 2016.
10. H. Tyralis, and D. Koutsoyiannis, On the prediction of persistent processes using the output of deterministic models, Hydrological Sciences Journal, 62 (13), 2083–2102, doi:10.1080/02626667.2017.1361535, 2017.

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία: Δείτε τις στο Google Scholar ή στο ResearchGate

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

1. #Huang, Z., and H. Morimoto, The temporal-spatial-fractal characters on Nino3.4 SST, Preprint Series in Mathematical Sciences, No. 2006-1, 2006.
2. Ng, W.W., U.S. Panu and W.C. Lennox, Chaos based analytical techniques for daily extreme hydrological observations, Journal of Hydrology, 342(1-2), 17-41, 2007.
3. Mackey, R., Rhodes Fairbridge and the idea that the solar system regulates the Earth's climate, Journal of Coastal Research, Special Issue 50, Proceedings ICS2007, 955- 968, 2007.
4. Lennartz, S. and A. Bunde, Distribution of natural trends in long-term correlated records: A scaling approach, Phys. Rev. E, 84 (2), 021129, DOI: 10.1103/PhysRevE.84.021129, 2011.
5. Rao, A. R., M. Azli and L. J. Pae, Identification of trends in Malaysian monthly runoff under the scaling hypothesis, Hydrol. Sci. J., 56 (6), 917–929, 2011.
6. Lennartz, S., and A. Bunde, On the estimation of natural and anthropogenic trends in climate records, Geophysical Monograph Series, 196, 177-189, 2012.
7. Fan, J., Rescaled range analysis in higher dimensions, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 5 (18), 4489-4492, 2013.
8. #Loukas, A., and L. Vasiliades, Review of applied methods for flood-frequency analysis in a changing environment in Greece, In: A review of applied methods in Europe for flood-frequency analysis in a changing environment, Floodfreq COST action ES0901: European procedures for flood frequency estimation (ed. by H. Madsen et al.), Centre for Ecology & Hydrology, Wallingford, UK, 2013.
9. Markovic, D., and M. Koch, Long-term variations and temporal scaling of hydroclimatic time series with focus on the German part of the Elbe River Basin, Hydrological Processes, 28 (4), 2202-2211, 2014.
10. Tamazian, A., J. Ludescher and A. Bunde, Significance of trends in long-term correlated records, Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 91 (3), art. no. 032806, 10.1103/PhysRevE.91.032806, 2015.
11. Markovic, D., and M. Koch, Stream response to precipitation variability: A spectral view based on analysis and modelling of hydrological cycle components, Hydrological Processes, 29 (7), 1806-1816, 2015.

Κατηγορίες: Δυναμική Hurst-Kolmogorov, Κλίμα και στοχαστική, Ομοιοθεσία, Αβεβαιότητα