Στοχαστική διερεύνηση υδρολογικών ακροτάτων: επίδραση της χρονικής μεταβλητότητας και εξάρτησης

Η κατανόηση και μοντελοποίηση των υδρολογικών ακραίων αποτελεί ένα κλασικό εγχείρημα στην υδρολογία και τη μηχανοτεχνική, που έχει προσελκύσει ανανεωμένο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες υπό τη θεωρία της κλιματικής αλλαγής. Πολύ πριν γίνουν εμφανείς οι ανησυχίες σχετικά με την εντατικοποίηση των ακραίων άκρων, η εγγενής μεταβλητότητα και αβεβαιότητά τους αρκούσαν για να καταστήσουν ως πρόκληση την κατανόηση και μοντελοποίησή τους. Η στοχαστική, ενσωματώνοντας πιθανότητες, στατιστική και τη θεωρία των στοχαστικών διεργασιών, προσφέρει ένα μοναδικά κατάλληλο και συνεπές πλαίσιο για την αντιμετώπιση της αβέβαιης φύσης των ακραίων. Ενώ οι περιθώριες ιδιότητες των ακραίων έχουν μελετηθεί εκτενώς στη βιβλιογραφία, δεν ισχύει το ίδιο για τις χρονικές τους ιδιότητες, αφού τα ακραία παραδοσιακά αντιμετωπίζονται ως χρονικά ανεξάρτητα. Κατά συνέπεια, οι χρονικές τους συμπεριφορές είτε έχουν παραβλεφθεί σε μεγάλο βαθμό είτε προσεγγίζονται μέσω ντετερμινιστικών συλλογισμών. Ωστόσο, υπάρχουν τόσο εμπειρικοί όσο και θεωρητικοί λόγοι που αμφισβητούν την υπόθεση της ανεξαρτησίας, καθώς τα υδρολογικά ακραία προέρχονται από φυσικές διεργασίες που χαρακτηρίζονται από έντονη εξάρτηση σε διάφορες κλίμακες. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη στοχαστική διερεύνηση και μοντελοποίηση της χρονικής μεταβλητότητας και εξάρτησης των υδρολογικών ακραίων από τις εποχικές έως τις κλιματικές κλίμακες. Η βασική καινοτομία της ανάλυσης είναι ο εντοπισμός των χρονικών συμπεριφορών των ακραίων και η στοχαστική σύνδεσή τους με τις εγγενείς ιδιότητες της μητρικής υδρολογικής διεργασίας. Μια τέτοια προσέγγιση δημιουργεί νέες προοπτικές για την κατανόηση της χρονικής δυναμικής των υδρολογικών ακραίων που μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντίληψη του σχετικού κινδύνου με την πάροδο του χρόνου και να ενημερώσουν προηγμένες πρακτικές μετριασμού. Από την άποψη αυτή επιδιώκονται δύο συμπληρωματικοί στόχοι: (α) ο χαρακτηρισμός των χρονικών ιδιοτήτων τους, συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής εξάρτησης σε πολλαπλές κλίμακες, από υδρολογικά δείγματα μεγάλου μήκους, και (β) την ανάπτυξη υδρολογικά συνεπών πλαισίων μοντελοποίησης που αναπαράγουν τα παρατηρημένα ακραία μοτίβα. Αυτοί οι στόχοι εκτυλίσσονται στις ακόλουθες τρεις κλίμακες: (i) την εποχιακή κλίμακα, που σχετίζεται με την εποχικότητα των ακραίων βροχοπτώσεων και τη δυναμική εξάρτησης των εποχιακών ακραίων παροχών, (ii) την ετήσια κλίμακα, σε σχέση με τη διάδοση της μακροπρόθεσμης εμμονής, δηλαδή της δυναμικής Hurst-Kolmogorov (HK), από τη μητρική διαδικασία στα ακραία και τις ιδιότητες αυτής, και τελευταία (iii) την κλιματική κλίμακα, σχετικά με τη θεωρητική και εμπειρική βάση των κλιματικών προβλέψεων των μελλοντικών βροχοπτώσεων.