G. Papacharalampous, H. Tyralis, A. Langousis, A. W. Jayawardena, B. Sivakumar, N. Mamassis, A. Montanari, and D. Koutsoyiannis, Probabilistic hydrological post-processing at scale: Why and how to apply machine-learning quantile regression algorithms, Water, doi:10.3390/w11102126, 2019.
Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/2001/1/documents/water-11-02126.pdf (6451 KB)
Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία: Δείτε τις στο Google Scholar ή στο ResearchGate
D. Veneziano, A. Langousis, and C. Lepore, New asymptotic and pre-asymptotic results on rainfall maxima from multifractal theory, Water Resources Research, 45, doi:10.1029/2009WR008257, 2009.
[Νέα ασυμπτοτικά και προ-ασυμπτοτικά αποτελέσματα για τις ακραίες τιμές βροχοπτώεων με χρήση της θεωρίας πολυμορφοκλασματικότητας ]
Σε αντίθεση με την ευρέως αποδεκτή άποψη, η θεωρία ακραίων τιμών (extreme value theory, EV) του Fisher-Tippet δεν μπορεί να εφαρμοσθεί για την εκτίμηση ετήσιων μέγιστων βροχής. Κατά παρόμοιο τρόπο, η θεωρία ακραίων υπερβάσεων (extreme excess theory, EE) δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση εντάσεων βροχής πάνω από τιμές κατωφλίου της τάξεως των ετήσιων μεγίστων. Τα εν λόγω συμπέρασματα ισχύουν όχι μόνο για μεγάλες διάρκειες βροχής d, αλλά και για μικρές διάρκειες, καθώς και οριακά όταν d -> 0. Καταλήγουμε στα παραπάνω συμπεράσματα εφαρμόζοντας την θεωρία μεγάλων αποκλίσεων (large-deviation theory) σε στοχαστικά μοντέλα βροχής πολλαπλασιαστικού τύπου με ομοιοθετική (scale-invariant) δομή. Επίσης αποδεικνύουμε διάφορες ασυμπτωτικές, και μη, στατιστικές ιδιότητες των αυτών στοχαστικών προσομοιωμάτων. Για παράδειγμα, στο όριο καθώς d -> 0 η μέγιστη ετήσια ένταση βροχής διάρκειας d, Iyr,d, ακολουθεί γενικευμένη κατανομή μεγίστου (Generalized Extreme Value, GEV) με παράμετρο σχήματος k που είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτήν που προβλέπεται από την θεωρία ακραίων τιμών (EV) και είναι πάντα στην περιοχή Frechet (EV2). Η τιμή της παραμέτρου k δεν εξαρτάται από την άνω ουρά (ουρά μεγίστων) της περιθώριας κατανομής της εντάσεως βροχής, αλλά από περιοχές στο σώμα αυτής. Για τις ίδιες οριακές συνθήκες, οι υπερβάσεις επιπέδων τιμών εντάσεως βροχής της ιδίας τάξης μεγέθους με αυτήν των ετήσιων μεγίστων ακολουθούν γενικευμένη κατανομή Pareto (Generalized Pareto, GP), με παράμετρο σχήματος k που είναι πάντοτε μεγαλύτερη από αυτήν που προβλέπεται από την θεωρία του Pickand. Για πεπερασμένες τιμές της διάρκειας d, η κατανομή της τυχαίας μεταβλητής Ιyr,d δεν ακολουθεί γενικευμένη κατανομή μεγίστου, αλλά σε συμφωνία με εμπειρικά αποτελέσματα μπορεί να προσεγγιστεί με μεγάλη ακρίβεια από κατανομή ακραίων τιμών τύπου GEV με παράμετρο σχήματος k που είναι φθίνουσα συνάρτηση της διάρκειας βροχοπτώσεως d. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε μία μεθοδολογία για την εκτίμηση της παραμέτρου k κάτω από προ-ασυμπτωτικές συνθήκες βασισμένη στην ομοιοθετική συμπεριφορά των χρονοσειρών βροχής, και προτείνουμε μία σχεδόν καθολική σχέση για την παράμετρο σχήματος k(d). Η νέα εκτιμήτρια υπόσχεται να είναι πιο ακριβής και με μειωμένη ευαισθησία σε εξωδειγματικά σημεία σε σχέση με άλλες συμβατικές εκτιμήτριες. Τα εν λόγω αποτελέσματα σηματοδοτούν μία σημαντική αλλαγή κατευθύνσεως στον τρόπο που αντιμετωπίζονται και εκτιμώνται στατιστικά τα ακραία γεγονότα βροχής.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Veneziano, Long-term rainfall risk from tropical cyclones in coastal areas, Water Resources Research, 45, doi:10.1029/2008WR007624, 2009.
[Μακροπρόθεσμη παράκτια διακινδύνευση απο ακραίες βροχοπτώσεις προκαλούμενες από τροπικούς κυκλώνες ]
Η παρούσα εργασία αναπτύσσει μία νέα μεθοδολογία για την εκτίμηση της συχνότητας εμφάνισης ακραίων βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές. Το αναπτυχθέν μοντέλο δεν λαμβάνει υπ’ όψιν την τοπογραφία της περιοχής προσπτώσεως του κυκλώνα και, κατά συνέπεια, έχει βέλτιστη επίδοση σε περιοχές ανοικτής θαλάσσης και σε παράκτιες περιοχές με σχετικά επίπεδη τοπογραφία. Ο υπολογισμός του μέσου πεδίου βροχής προκαλούμενου από τροπικό κυκλώνα με μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα ανέμων Vmax, ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα και ταχύτητα κίνησης Vt, επιτυγχάνεται με χρήση ενός φυσικομαθηματικού προσομοιώματος. Η μεταβλητότητα του πεδίου βροχής σε κλίμακα τροπικού κυκλώνα (από καταιγίδα σε καταιγίδα) καθώς και σε υποδεέστερες χρονικές και χωρικές κλίμακες μοντελοποιείται στατιστικά. Το στατιστικό κομμάτι της παρουσιαζόμενης μεθοδολογίας εκτιμάται με χρήση δορυφορικών δεδομένων βροχομετρικού radar (PR, precipitation radar data) από την διαστημική αποστολή TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Η υπόθεση Taylor χρησιμοποιείται για την μετατροπή των χωρικών διακυμάνσεων του πεδίου βροχής σε χρονικές διακυμάνσεις σε μία δεδομένη θέση Α. Το συνδυασμένο φυσικομαθηματικό-στοχαστικό προσομοίωμα δύναται να υπολογίσει την κατανομή της μεγίστης εντάσεως βροχής διάρκειας D προκαλούμενη από τροπικό κυκλώνα με χαρακτηριστικά (Vmax, Rmax, Vt) που περνά σε δεδομένη απόσταση από την θέση Α. Με στόχο την χρήση της μεθοδολογίας για την εκτίμηση του μακροπρόθεσμου ρίσκου από ακραίες βροχοπτώσεις, αναπτύσσουμε ένα μοντέλο για την συχνότητα επαναφοράς των χαρακτηριστικών τροπικών κυκλώνων στην περιοχή του κόλπου του Μεξικού που προσπίπτουν στην ακτή μεταξύ των γεωγραφικών μηκών 85ο-95οW. Εν συνεχεία, συνδυάζουμε το μοντέλο επαναφοράς και το μοντέλο μεγίστων εντάσεων βροχής για να εκτιμήσουμε την επικινδυνότητα ακραίων βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες στην περιοχή της Νέας Ορλεάνης των Η.Π.Α. Για περιόδους επαναφοράς άνω των 100 ετών και για μεγάλες διάρκειες βροχόπτωσης (από 12 έως 24 ώρες), οι τροπικοί κυκλώνες υπερέχουν σε σχέση με άλλους τύπους καταιγίδων, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για μικρότερες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχής.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Veneziano, Theoretical model of rainfall in tropical cyclones for the assessment of long-term risk, Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 114, doi:10.1029/2008JD010080, 2009.
[Θεωρητικό μοντέλο εκτίμησης βροχοπτώσεων απο τροπικούς κυκλώνες για την αποτίμηση της μακροπρόθεσμης διακινδύνευσης]
Η παρούσα εργασία αναπτύσσει ένα θεωρητικό μοντέλο για την εκτίμηση του πεδίου βροχόπτωσης από την μεγάλης κλίμακας ακτινική σύγκλιση που προκαλείται κατά το πέρας ενός τροπικού κυκλώνα. Το εν λόγω μοντέλο αποτελεί τμήμα μίας νέας μεθοδολογίας για την εκτίμηση επικινδυνότητας βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες. Τα άλλα τμήματα της μεθοδολογίας είναι: 1) η σχέση επαναφοράς των τιμών των παραμέτρων του μοντέλου (δηλαδή των χαρακτηριστικών του τροπικού κυκλώνα, βλέπε παρακάτω), 2) η τροχιά του τροπικού κυκλώνα και 3) το μοντέλο για την στοχαστική αναπαράσταση των μικρής κλίμακας διακυμάνσεων του πεδίου βροχής γύρω από την μεγάλης κλίμακας μέση βροχόπτωση που προβλέπει το παρόν θεωρητικό μοντέλο. Οι μικρής κλίμακας διακυμάνσεις του πεδίου βροχής προέρχονται κυρίως από τις σπειροειδείς ζώνες έντονης βροχοπτώσεως (rainbands) εντός του τροπικού κυκλώνα, καθώς και από επαγωγικά φαινόμενα τοπικής κλίμακας. Η κατακόρυφη παροχή υδρατμών και η συνεπαγόμενη ένταση βροχοπτώσεως υπολογίζονται με χρήση απλών αρχών θερμοδυναμικής και ενός απλού αριθμητικού μοντέλου για τον υπολογισμό των κατακορύφων ανέμων εντός του οριακού στρώματος του τροπικού κυκλώνα. Ο τροπικός κυκλώνας χαρακτηρίζεται από: 1) την ταχύτητα κινήσεως του, 2) τον συντελεστή σύρσης στο στερεό όριο, 3) την μέση θερμοκρασία και τον μέσο συντελεστή υγρασίας εντός του οριακού στρώματος, και 4) το ακτινικό προφίλ της εφαπτομενικής ταχύτητας των ανέμων σε υψόμετρο όπου επιτυγχάνεται ισορροπία μεταξύ της κλίσεως του πεδίου πιέσεων, της δυνάμεως Coriolis και της φυγοκέντρου δυνάμεως (gradient wind balance). Η ευαισθησία της συμμετρικής και αντισυμμετρικής συνιστώσας του πεδίου βροχής στα χαρακτηριστικά του τροπικού κυκλώνα ποσοτικοποιείται με χρήση παραμετρικής αναλύσεως.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, D. Veneziano, P. Furcolo, and C. Lepore, Multifractal rainfall extremes: Theoretical analysis and practical estimation, Chaos Solitons and Fractals, 39, 1182–1194, doi:10.1016/j.chaos.2007, 2009.
[Ακραία γεγονότα βροχής με πολυμορφοκλασματικές ιδιότητες: Θεωρητική ανάλυση και μέθοδοι εκτίμησης για πρακτικές εφαρμογές]
Η παρούσα εργασία μελετά την κατανομή των ακραίων εντάσεων βροχής που εκτιμώνται από ένα πολυμορφοκλασματικό (multifractal) στοχαστικό μοντέλο, και προτείνει μία μεθοδολογία εκτίμησης όμβριων καμπυλών δομημένη ειδικά για πρακτικές εφαρμογές. Το μοντέλο βασίζεται στην παραδοχή ότι μία χρονοσειρά βροχόπτωσης μπορεί να προσεγγιστεί από μία ακολουθία ανεξάρτητων παλμών σταθερής διάρκειας D με εσωτερική δομή στάσιμης πολυμορφοκλασματικής (multifractal) ανελίξεως τύπου beta-lognormal. Το απλό αυτό μοντέλο δύναται να επιτύχει υψηλή ακρίβεια αποτελεσμάτων, δεδομένου ότι έχει προσαρμοσθεί κατάλληλα στο ιστορικό δείγμα. Προηγούμενες εργασίες έχουν δείξει ότι, ασυμπτωτικά, όταν η διάρκεια του γεγονότος βροχής d ->0 ή όταν η περίοδος επαναφοράς αυτού Τ->oo, οι όμβριες καμπύλες που υπολογίζονται βάση πολυμορφοκλασματικών (multifractal) μοντέλων παρουσιάζουν ομοιοθετική (scaling) συμπεριφορά με διαφορετικούς εκθέτες ομοιοθεσίας στις δύο οριακές περιπτώσεις. Στην παρούσα εργασία: 1) προσδιορίζουμε την περιοχή του επιπέδου (d,T) εντός της οποίας η δύο ασυμπτωτικές συμπεριφορές ισχύουν κατά καλή προσέγγιση, 2) προτείνουμε εκφράσεις για τον υπολογισμό των όμβριων καμπυλών εντός και εκτός των περιοχών αυτών, και 3) ποσοτικοποιούμε την μεροληψία εκτιμήσεως των χαρακτηριστικών της ουράς της κατανομής ακραίων εντάσεων βροχής από ιστορικά δείγματα πεπερασμένου μήκους. Η τελευταία μέθοδος προσδιορισμού των χαρακτηριστικών κατανομών ακροτάτων αποτελεί τακτική που συναντάται κατά κόρον στην τρέχουσα βιβλιογραφία. Τέλος, προτείνουμε αναλυτικές σχέσεις για τον προσεγγιστικό υπολογισμό όμβριων καμπυλών και τις συγκρίνουμε με τις ακριβείς όμβριες καμπύλες που εκτιμώνται από το υπό μελέτη πολυμορφοκλασματικό στοχαστικό μοντέλο. Οι προσεγγιστικές σχέσεις επιτυγχάνουν υψηλή ακρίβεια αποτελεσμάτων και χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μίας απλής μεθοδολογίας εκτίμησης όμβριων καμπυλών προσαρμοσμένη στην υδρολογική πρακτική.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Koutsoyiannis, C. Makropoulos, A. Langousis, S. Baki, A. Efstratiadis, A. Christofides, G. Karavokiros, and N. Mamassis, Climate, hydrology, energy, water: recognizing uncertainty and seeking sustainability, Hydrology and Earth System Sciences, 13, 247–257, doi:10.5194/hess-13-247-2009, 2009.
[Κλίμα, υδρολογία, ενέργεια, νερό: αναγνωρίζοντας την αβεβαιότητα και αναζητώντας τη βιωσιμότητα]
Από το 1990 έχουν δαπανηθεί τεράστια κονδύλια στην έρευνα για την κλιματική αλλαγή. Αν και οι Επιστήμες της Γης, περιλαμβανομένων της κλιματολογίας και της υδρολογίας, έχουν ευνοηθεί σημαντικά, η πρόοδός τους αποδείχθηκε δυσανάλογα μικρή σε σχέση με την προσπάθεια και τα κονδύλια, ίσως επειδή αυτές αντιμετωπίστηκαν ως επικουρικά «εργαλεία» για τις ανάγκες της επιχείρησης της κλιματικής αλλαγής παρά ως αυτόνομες επιστήμες. Την ίδια στιγμή, η έρευνα παραπλανημένα εστίασε περισσότερο στο «σύμπτωμα», ήτοι την εκπομπή των αερίων του θερμοκηπίου, παρά στην «αρρώστια», ήτοι τη μη βιωσιμότητα της ενεργειακής παραγωγής με βάση τα ορυκτά καύσιμα. Το όχι μακρινό μέλλον ενέχει το πραγματικό ρίσκο μιας σοβαρής κοινωνικοοικονιμικής κρίσης, εκτός αν η εξοικονόμηση ενέργειας και η χρήση ανανεώσιμων πηγών γίνουν ο κανόνας. Απαιτείται ένα πλαίσιο δραστικών αλλαγών, στο οποίο το νερό θα παίξει κεντρικό ρόλο λόγω της μοναδικής του διασύνδεσης με όλες τις μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, από την παραγωγή (υδροηλεκτρική, κύματα) και την αποθήκευση (για τις χρονικά κυμαινόμενες αιολικές και ηλιακές πηγές) έως την παραγωγή βιοκαυσίμων (άρδευση). Ο εκτεταμένος ρόλος του νερού θα πρέπει να ληφθεί υπόψη παράλληλα με τους συνήθεις ρόλους του στις οικιακές, αγροτικές και βιομηχανικές χρήσεις. Η υδρολογία, η επιστήμη του νερού στη Γη, οφείλει να κινηθεί προς ένα νέο πρότυπο και να ξανασκεφτεί δραστικά τις θεμελιώδεις αρχές της, οι οποίες παγιδεύτηκαν αδικαιολόγητα στους μύθους του 19ου αιώνα, ήτοι στις προσδιοριστικές θεωρίες και το ζήλο εξάλειψης της αβεβαιότητας. Καθοδήγηση παρέχεται από τη σύγχρονη στατιστική και κβαντική φυσική, που αναδεικνύει τον εγγενή χαρακτήρα της αβεβαιότητας/εντροπίας στη φύση, προωθώντας έτσι μια νέα κατανόηση και μοντελοποίηση των φυσικών διεργασιών, που είναι θεμελιώδης για την αποτελεσματική χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και του νερού.
Σημείωση:
Ιστολόγια στα οποία έχει συζητηθεί το άρθρο: Climate science, Vertical news, Outside the cube.
Ενημέρωση 2011-09-26: Το βίντεο από τη συζήτηση ανάμεσα σε Νομπελίστες φυσικούς με τίτλο “Climate Changes and Energy Challenges” (οργανώθηκε στο πλαίσιο του 2008 Meeting of Nobel Laureates at Lindau on Physics), η οποία αναφέρεται στην υποσημείωση 1 του άρθρου, ακόμη δεν είναι προσβάσιμη στο διαδίκτυο. Ωστόσο, ο Larry Gould έχει αναρτήσει το ηχητικό ντοκουμέντο εδώ.
Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/878/17/documents/hess-13-247-2009.pdf (1476 KB)
Συμπληρωματικό υλικό:
Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.5194/hess-13-247-2009
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. | Andréassian, V., C. Perrin, L. Berthet, N. Le Moine, J. Lerat, C. Loumagne, L. Oudin, T. Mathevet, M.-H. Ramos, and A. Valéry, HESS Opinions "Crash tests for a standardized evaluation of hydrological models", Hydrology and Earth System Sciences, 13, 1757-1764, 2009. |
| 2. | Hunt, D. V. L., I. Jefferson, M. R. Gaterell, and C. D. F. Rogers, Planning for sustainable utility infrastructure, Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Urban Design and Planning, 162(DP4), 187-201, 2009. |
| 3. | Makropoulos, C. K., and D. Butler, Distributed water infrastructure for sustainable communities, Water Resources Management, 24(11), 2795-2816, 2010. |
| 4. | Jódar, J., J. Carrera, and A. Cruz, Irrigation enhances precipitation at the mountains downwind, Hydrology and Earth System Sciences, 14, 2003-2010, 2010. |
| 5. | #Ladanai, S., and J. Vinterbäck, Biomass for Energy versus Food and Feed, Land Use Analyses and Water Supply, Report 022, Swedish University of Agricultural Sciences, ISSN 1654-9406, Uppsala, 2010. |
| 6. | Ward, J. D., A. D. Werner, W. P. Nel, and S. Beecham, The influence of constrained fossil fuel emissions scenarios on climate and water resource projections, Hydrology and Earth System Sciences, 15, 1879-1893, 2011. |
| 7. | #Montanari, A, Uncertainty of hydrological predictions, In: P. Wilderer (ed.) Treatise on Water Science, Vol. 2, 459–478, Oxford Academic Press, 2011. |
| 8. | #Willems, P., J. Olsson, K. Arnbjerg-Nielsen, S. Beecham, A. Pathirana, I. Bulow Gregersen, H. Madsen, V.-T.-V. Nguyen, Practices and Impacts of Climate Change on Rainfall Extremes and Urban Drainage, IWA Publishing, London, 2012. |
| 9. | Andrés-Doménech, I., A. Montanari and J. B. Marco, Efficiency of storm detention tanks for urban drainage systems under climate variability, Journal of Water Resources Planning and Management, 138 (1), 36-46, 2012. |
| 10. | Montanari, A., Hydrology of the Po River: looking for changing patterns in river discharge, Hydrology and Earth System Sciences, 16, 3739-3747, doi:10.5194/hess-16-3739-2012, 2012. |
| 11. | Voulvoulis, N., Water and sanitation provision in a low carbon society: The need for a systems approach, Journal of Renewable and Sustainable Energy, 4(4), 041403, doi:10.1063/1.3665797, 2012. |
| 12. | #Skaggs, R., K. A. Hibbard, T. C. Janetos, and J. S. Rice, Climate and energy-water-land system interactions, Technical report to the U.S. Department of Energy in Support of the National Climate Assessment, Report No. PNNL-21185, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, 152 pp., 2012. |
| 13. | Gunasekara, N. K., S. Kazama, D. Yamazaki and T. Oki, The effects of country-level population policy for enhancing adaptation to climate change, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 4429-4440, 2013. |
| 14. | Nastos, P. T., N. Politi, and J. Kapsomenakis, Spatial and temporal variability of the aridity index in Greece, Atmospheric Research, 19, 140-152, 2013. |
| 15. | Hrachowitz, M., H.H.G. Savenije, G. Blöschl, J.J. McDonnell, M. Sivapalan, J.W. Pomeroy, B. Arheimer, T. Blume, M.P. Clark, U. Ehret, F. Fenicia, J.E. Freer, A. Gelfan, H.V. Gupta, D.A. Hughes, R.W. Hut, A. Montanari, S. Pande, D. Tetzlaff, P.A. Troch, S. Uhlenbrook, T. Wagener, H.C. Winsemius, R.A. Woods, E. Zehe, and C. Cudennec, A decade of Predictions in Ungauged Basins (PUB) — a review, Hydrological Sciences Journal, 58(6), 1198-1255, 2013. |
| 16. | Thompson, S. E., M. Sivapalan, C. J. Harman, V. Srinivasan, M. R. Hipsey, P. Reed, A. Montanari and G. and Blöschl, Developing predictive insight into changing water systems: use-inspired hydrologic science for the Anthropocene, Hydrology and Earth System Sciences, 17, 5013-5039, 2013. |
| 17. | #Voulvoulis, N., The potential of water reuse as a management option for water security under the ecosystem services approach, Win4Life Conference, Tinos Island, Greece, 2013. |
| 18. | Dette, H., and K. Sen, Goodness-of-fit tests in long-range dependent processes under fixed alternatives, ESAIM: Probability and Statistics, 17, 432-443, 2013. |
| 19. | Ilich, N., An effective three-step algorithm for multi-site generation of stochastic weekly hydrological time series, Hydrological Sciences Journal, 59 (1), 85-98, 2014. |
| 20. | Jain, S., Reference climate and water data networks for India, Journal of Hydrologic Engineering, 20(4), 02515001, doi:10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001170, 2015. |
| 21. | Voulvoulis, N., The potential of water reuse as a management option for water security under the ecosystem services approach, Desalination and Water Treatment, 53 (12), 3263-3271, doi:10.1080/19443994.2014.934106, 2015. |
| 22. | #Rohli, R. V., Overview of applied climatology and water/energy resources, Selected Readings in Applied Climatology, R. V. Rohli and T. A. Joyner (editors), 144-155, Cambridge Scholars Publishing, 2015. |
| 23. | #Kim, S.S.H., J.D. Hughes, D. Dutta, and J. Vaze, Why do sub-period consistency calibrations outperform traditional optimisations in streamflow prediction? Proceedings of 21st International Congress on Modelling and Simulation, 2061-2067, Gold Coast, Australia, 2015. |
| 24. | Kim, S. S. H., J. D. Hughes, J. Chen, D. Dutta, and J. Vaze, Determining probability distributions of parameter performances for time-series model calibration: A river system trial, Journal of Hydrology, 530, 361–371, doi:10.1016/j.jhydrol.2015.09.073, 2015. |
| 25. | Clark, C., Two rural temperature records in Somerset, UK, Weather, 70(10), 280-284, doi:10.1002/wea.2512, 2015. |
| 26. | Tsonis, A. A., Randomness: a property of the mathematical and physical systems, Hydrological Sciences Journal, 61(9), 1591-1610, doi:10.1080/02626667.2014.992434, 2016. |
| 27. | Di Baldassarre, G., L. Brandimarte, and K. Beven, The seventh facet of uncertainty: wrong assumptions, unknowns and surprises in the dynamics of human-water systems, Hydrological Sciences Journal, 61(9), 1748-1758, doi:10.1080/02626667.2015.1091460, 2016. |
| 28. | Chrs, C. C., Models, the establishment, and the real world: Why do so many flood problems remain in the UK?, Journal of Geoscience and Environment Protection, 5, 44-59, doi:10.4236/gep.2017.52004, 2017. |
| 29. | Vogel, M., Stochastic watershed models for hydrologic risk management, Water Security, 1, 28-35, doi:10.1016/j.wasec.2017.06.001, 2017. |
| 30. | Madani, E. M., P. E. Jansson, and I. Babelon, Differences in water balance between grassland and forest watersheds using long-term data, derived using the CoupModel, Hydrology Research, 49(1), 72-89, doi:10.2166/nh.2017.154, 2018. |
| 31. | #Oliveira da Silva Araújo, R. C., L. Gomes Lourenço, O. Siena, and C. A. da Silva Müller, Inovação e sustentabilidade na produção e uso de energia: uma meta-análise, Sustentabilidade e Responsabilidade Social em Foco – Volume 4, Capítulo 3, Organização Editora Poisson, doi:10.5935/978-85-93729-64-5.2018B001, 2018. |
| 32. | Biondi, D., and E. Todini, Comparing hydrological post‐processors including ensembles predictions into full predictive probability distribution of streamflow, Water Resources Research, 54(12), 9860-9882, doi:10.1029/2017WR022432, 2018. |
| 33. | Dahlke, H. E., G. T. LaHue, M. R. L. Mautner, N. P. Murphy, N. K. Patterson, H. Waterhouse, F. Yang, and L. Foglia, Managed aquifer recharge as a tool to enhance sustainable groundwater management in California: Examples from field and modeling studies, Advances in Chemical Pollution, Environmental Management and Protection, 3, 215-275, doi:10.1016/bs.apmp.2018.07.003, 2018. |
| 34. | Giudici, F., A. Castelletti, E. Garofalo, M. Giuliani, and H. R. Maier, Dynamic, multi-objective optimal design and operation of water-energy systems for small, off-grid islands, Applied Energy, 250, 605-616, doi:10.1016/j.apenergy.2019.05.084, 2019. |
| 35. | Tzanakakis, V. A., A. N. Angelakis, N. V. Paranychianakis, Y. G. Dialynas, and G. Tchobanoglous, Challenges and opportunities for sustainable management of water resources in the island of Crete, Greece, Water, 12(6), 1538, doi:10.3390/w12061538, 2020. |
| 36. | Ayzel, G., L. Kurochkina, and S. Zhuravlev, The influence of regional hydrometric data incorporation on the accuracy of gridded reconstruction of monthly runoff, Hydrological Sciences Journal, doi:10.1080/02626667.2020.1762886, 2020. |
| 37. | Yang, W., F. Jin, Y. Si, and Z. Li, Runoff change controlled by combined effects of multiple environmental factors in a headwater catchment with cold and arid climate in northwest China, Science of The Total Environment, 756, 143995, doi:10.1016/j.scitotenv.2020.143995, 2021. |
| 38. | Kourgialas, N. N., A critical review of water resources in Greece: The key role of agricultural adaptation to climate-water effects, Science of the Total Environment, 775, 145857, doi:10.1016/j.scitotenv.2021.145857, 2021. |
| 39. | #Eslamian S., and S. Parvizi, Engineering Hydrology: Impact on Sustainable Development, Climate Action, Encyclopedia of the UN Sustainable Development Goals, Leal Filho W., Azul A.M., Brandli L., Özuyar P.G., Wall T. (eds), Springer, Cham, doi:10.1007/978-3-319-71063-1_134-1, 2021. |
| 40. | Lemonis, A. S. Skroufouta, and E. Baltas, An economic evaluation towards sustainability: The case of a hybrid renewable energy system in Greece, American Journal of Environmental and Resource Economics, 7(1), 37-47, doi:10.11648/j.ajere.20220701.15, 2022. |
| 41. | Cui, Y., J. Jin, X. Bai, S. Ning, L. Zhang, C. Wu, and Y. Zhang, Quantitative evaluation and obstacle factor diagnosis of agricultural drought disaster risk using connection number and information entropy, Entropy, 24(7), 872, doi:10.3390/e24070872, 2022. |
| 42. | Antwi, K., G. Adu, S. Adu, and J. Appiah-Yeboah, Physical and fuel properties of Bambusa Vulgaris of different age groups and their effect on producing biofuel, South-East European Forestry, 13(1), 53-64, doi:10.15177/seefor.22-05, 2022. |
| 43. | Caixeta F., A. M. Carvalho, P. Saraiva, and F. Freire, Sustainability-focused excellence: A novel model integrating the water-energy-food nexus for agro-industrial companies, Sustainability, 14(15), 9678, doi:10.3390/su14159678, 2022. |
| 44. | Angelakis, A. N., J. Krasilnikoff, and V. A. Tzanakakis, Evolution of water technologies and corresponding philosophy and sciences focusing on the Hellenic world through the millennia, Water, 14, 3149, doi:10.3390/w14193149, 2022. |
| 45. | Li, C., J. Hao, G. Zhang, H. Fang, Y. Wang, and H. Lu, Runoff variations affected by climate change and human activities in Yarlung Zangbo River, southeastern Tibetan Plateau, Catena, doi:10.1016/j.catena.2023.107184, 2023. |
| 46. | Jorquera, J., and A. Pizarro, Unlocking the potential of stochastic simulation through Bluecat: Enhancing runoff predictions in arid and high‐altitude regions, Hydrological Processes, 37(12), e15046, doi:10.1002/hyp.15046, 2023. |
| 47. | De León Pérez, D., R. Acosta Vega, S. Salazar Galán, J. Á. Aranda, and F. Francés García, Toward systematic literature reviews in hydrological sciences, Water, 16(3), 436, doi:10.3390/w16030436, 2024. |
| 48. | Xue, Z., X. Xu, L. Hu, J. Liu, Z. Yan, and M. Han, A study on long-term forecasting of water quality data using self-attention with correlation, Journal of Hydrology, 132390, doi:10.1016/j.jhydrol.2024.132390, 2024. |
| 49. | De Luca, D. L., F. Napolitano, D. Kim, C. Onof, D. Biondi, L. P. Wang, F. Russo, E. Ridolfi, B. Moccia, and F. Marconi, Rainfall nowcasting models: state of the art and possible future perspectives, Hydrological Sciences Journal, doi:10.1080/02626667.2025.2490780, 2025. |
D. Veneziano, C. Lepore, A. Langousis, and P. Furcolo, Marginal methods of intensity-duration-frequency estimation in scaling and nonscaling rainfall, Water Resources Research, 43, doi:10.1029/2007WR006040, 2007.
[Μέθοδοι εκτίμησης όμβριων καμπυλών βασισμένες σε περιθώριες κατανομές]
Οι προτεινόμενες από τη βιβλιογραφία εμπειρικές μέθοδοι εκτίμησης όμβριων καμπυλών είναι συχνά βασισμένες στις παρατηρούμενες ετήσιες μέγιστες τιμές της εντάσεως βροχής Imax(d) για διαφορετικές διάρκειες d. Με χρήση αυτών των τιμών, η εκτίμηση των όμβριων καμπυλών γίνεται με την παραδοχή ότι η ένταση βροχοπτώσεως διάρκειας d με περίοδο επαναφοράς T μπορεί να περιγραφεί ως το γινόμενο μίας συνάρτησης b(d) της διάρκειας d και μίας συνάρτησης a(Τ) της περιόδου επαναφοράς Τ (συνθήκη διαχωρισμού; separability condition). Η χρήση διαφορετικών εμπειρικών και ημι-εμπειρικών σχέσεων για την παραμετροποίηση των συναρτήσεων b(d) και a(T) οδηγεί στην ανάπτυξη διαφορετικών μεθόδων υπολογισμού όμβριων καμπυλών. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε εναλλακτικές μεθόδους υπολογισμού όμβριων καμπυλών οι οποίες βασίζονται την περιθώρια (marginal) κατανομή της εντάσεως βροχής Ι(d). Στην περίπτωση που αυτή η κατανομή παρουσιάζει πολυμορφοκλασματική (multifractal) ομοιοθετική συμπεριφορά ως προs την διάρκεια d, τότε αυτή η πληροφορία μπορεί να ενσωματωθεί στο προτεινόμενο μοντέλο υπολογισμού. Επίσης, αναπτύσσουμε υβριδικές μεθόδους υπολογισμού όμβριων καμπυλών που χρησιμοποιούν συγχρόνως την περιθώρια (marginal) κατανομή της εντάσεως βροχής Ι(d) και την κατανομή των ετήσιων μεγίστων Imax(d). Αποδεικνύουμε ότι η συνθήκη διαχωρισμού (βλέπε παραπάνω) που προτείνεται στην βιβλιογραφία δεν μπορεί να εφαρμοσθεί για τον υπολογισμό ετήσιων μέγιστων βροχοπτώσεων. Επίσης, συμπεραίνουμε ότι τόσο οι μέθοδοι που βασίζονται αποκλειστικά στην περιθώρια κατανομή εντάσεων βροχής Ι(d) όσο και οι υβριδικές μέθοδοι έχουν μεγαλύτερη ακρίβεια αποτελεσμάτων και μικρότερη ευαισθησία σε εξωδειγματικά σημεία (outliers) σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους εκτιμήσεως όμβριων καμπυλών, οι οποίες βασίζονται στην αποκλειστική χρήση των ετήσιων μέγιστων βροχοπτώσεων. Η εν λόγω υπεροχή είναι ιδιαίτερα εμφανής για μεγάλες τιμές της περιόδου επαναφοράς Τ και όταν το μήκος του διαθέσιμου ιστορικού δείγματος είναι μικρό. Επισημαίνεται ότι οι μέθοδοι εκτίμησης όμβριων καμπυλών της παρούσας εργασίας δύνανται να παρέχουν υψηλή ακρίβεια αποτελεσμάτων, ακόμα και για μικρού μήκους ιστορικά δείγματα.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Veneziano, Intensity-duration-frequency curves from scaling representations of rainfall, Water Resources Research, 43, doi:10.1029/2006WR005245, 2007.
[Εκτίμηση όμβριων καμπυλών με χρήση στοχαστικών μοντέλων ομοιοθεσίας]
Αναπτύσσουμε μεθόδους για την εκτίμηση όμβριων καμπυλών βασισμένες σε τρία στοχαστικά μοντέλα βροχής με τοπική πολυμορφοκλασματική (multifractal) συμπεριφορά και διαφορετικούς βαθμούς πολυπλοκότητας. Τα τρία αυτά μοντέλα βασίζονται στο κλασικό μοτίβο εξωτερικών και εσωτερικών στοχαστικών διεργασιών, το οποίο χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό στην προσομοίωση συστημάτων, και δύνανται να αναπαράγουν τα στατιστικά χαρακτηριστικά της εντάσεως βροχής τόσο σε κλίμακα καταιγίδας όσο και σε υποδεέστερες αυτής χρονικές κλίμακες. Η εξωτερική στοχαστική διεργασία, η οποία είναι διαφορετική σε κάθε μοντέλο, έχει στατιστικές ιδιότητες που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά (διάρκεια και μέση ένταση βροχής) της καταιγίδας, ενώ η εσωτερική στοχαστική διεργασία έχει σε όλες τις περιπτώσεις χαρακτηριστικά στάσιμης πολυμορφοκλασματικής (multifractal) ανελίξεως. Οι όμβριες καμπύλες των μοντέλων είναι ακριβείς, με μειωμένη ευαισθησία σε εξωδειγματικά σημεία (outliers) και μπορούν να υπολογιστούν από μικρού μήκους ιστορικά δεδομένα βροχής της τάξεως των μερικών ετών. Σε εφαρμογή της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας σε χρονοσειρά βροχοπτώσεων μήκους 24 ετών από την Ιταλική Φλωρεντία, τα μοντέλα βρέθηκαν να αναπαράγουν με υψηλή ακρίβεια τις εμπειρικές όμβριες καμπύλες και να δίδουν παρόμοιες εκτιμήσεις για περιόδους επαναφοράς μεγαλύτερες του μήκους του ιστορικού δείγματος.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, A. Langousis, and P. Furcolo, Multifractality and rainfall extremes: A review, Water Resources Research, 42, doi:10.1029/2005WR004716, 2006.
[Εκτίμηση ακραίων βροχοπτώσεων με χρήση πολυμορφοκλασματικών μοντέλων]
Η χρήση πολυμορφοκλασματικών (multifractal) μοντέλων για την στοχαστική μοντελοποίηση ακραίων βροχοπτώσεων, έχει γνωρίσει ιδιαίτερη άνθιση τα τελευταία χρόνια. Η παρούσα εργασία συνοψίζει την υπάρχουσα γνώση στην εν λόγω περιοχή και επισημαίνει κάποια ανοιχτά ερωτήματα. Η ανάγκη για μία δομημένη σύνοψη οφείλεται αφενός στην διαφορετική ετοιμολογία, σήμανση και μεθόδους αναλύσεως που απαντώνται στην τρέχουσα βιβλιογραφία, και αφετέρου στην διασπορά των ευρημάτων που, συχνά, δεν είναι ευκόλως διαθέσιμα. Δύο σημαντικές αλλαγές κατεύθυνσης έχουν σημάνει την χρήση της θεωρίας πολυμορφοκλασματικών διαστάσεων στην στοχαστική μοντελοποίηση της βροχής και των ακραίων τιμών αυτής. Η μία είναι η μετατόπιση του ενδιαφέροντος από τις ασυμπτωτικές ιδιότητες των ομβρίων καμπύλων και του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας, στην ακριβή κατανομή των ακραίων βροχοπτώσεων υπό μη ασυμπτωτικές συνθήκες. Η εν λόγω αλλαγή έφερε τα εξαγόμενα συμπεράσματα πιο κοντά στην υδρολογική πρακτική. Η δεύτερη αλλαγή κατεύθυνσης είναι η πιο αραιή χρήση της θεωρίας πολύμορφοκλασματικών διαστάσεων στην στοχαστική μοντελοποίηση, που αντικατοπτρίζει την αδυναμία της εν λόγω θεωρίας να προσομοιώσει το φαινόμενο της βροχής σε όλες τις χωρικές και χρονικές κλίμακες. Η εν λόγω αλλαγή οδήγησε στην ανάπτυξη στοχαστικών μοντέλων που είναι πιο συνεπή με τα παρατηρούμενα στατιστικά χαρακτηριστικά της βροχής κάνοντας, και πάλι, τα αποτελέσματα καταλληλότερα για υδρολογικές εφαρμογές. Τέλος, η εν λόγω μελέτη αποδεικνύει ότι τα ακραία γεγονότα βροχής μπορούν να αναλυθούν με χρήση απλών στοχαστικών μοντέλων, δεδομένου ότι αυτά έχουν προσαρμοστεί σε κατάλληλο εύρος στατιστικών χαρακτηριστικών, όπως προδιαγράφεται από την θεωρία μεγάλων αποκλίσεων (large deviation theory).
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Koutsoyiannis, A stochastic methodology for generation of seasonal time series reproducing overyear scaling behaviour, Journal of Hydrology, 322, 138–154, 2006.
[Στοχαστική μεθοδολογία για τη γέννηση χρονοσειρών με αναπαραγωγή της υπερετήσιας ομοιοθετικής συμπεριφοράς]
Κατά την παραγωγή συνθετικών υδρολογικών χρονοσειρών σε εποχιακή κλίμακα, είναι σημαντικό να εξασφαλίζεται η διατήρηση των εποχιακών στατιστικών χαρακτηριστικών και της βραχυπρόθεσμης μνήμης της υπό μελέτη στοχαστικής ανέλιξης. Εξίσου όμως σημαντική είναι η αναπαραγωγή τόσο των στατιστικών χαρακτηριστικών της ετήσιας ιστορικής χρονοσειράς όσο και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς σε χρονικές κλίμακες μεγαλύτερες του έτους. Η ομοιοθετική συμπεριφορά, γνωστή και ως "φαινόμενο Hurst", έχει εντοπιστεί σε μεγάλο αριθμό υδρολογικών και κλιματικών χρονοσειρών και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τόσο τον προγραμματισμό όσο και τον σχεδιασμό των υδροσυστημάτων. Στην περίπτωση που γίνεται χρήση μοντέλων εποχιακής κλίμακας, η διατήρηση των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς είναι μία ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία και τις περισσότερες φορές αγνοείται, εκτός από την περίπτωση που εφαρμόζονται τεχνικές επιμερισμού, οι οποίες όμως παρουσιάζουν ορισμένες δυσκολίες (π.χ. στην εκτίμηση παραμέτρων) και ανακρίβειες. Εναλλακτικά προτείνεται μία νέα μεθοδολογία, βάσει της οποίας η αναπαραγωγή των στατιστικών χαρακτηριστικών γίνεται σε μηνιαία κλίμακα, χωρίς χρήση τεχνικών επιμερισμού, και κατά τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ταυτόχρονη διατήρηση τόσο των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών όσο και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς της ιστορικής χρονοσειράς. Συγκεκριμένα, προτείνονται δύο στοχαστικά μοντέλα: ένα απλό εποχιακό μοντέλο βραχυπρόθεσμης μνήμης, στο οποίο εισάγεται μακροπρόθεσμη μνήμη μέσω ενός εξωτερικού γραμμικού φίλτρου, και ένας συνδυασμός δύο επί μέρους μοντέλων, ενός στάσιμου με μακροπρόθεσμη μνήμη και ενός κυκλοστάσιμου με βραχυπρόθεσμη μνήμη. Και τα δύο μοντέλα ελέγχονται σε μια πραγματική περίπτωση και αποδεικνύεται ότι αναπαράγουν όλα τα στατιστικά ενδιαφέροντος, ενώ από επιχειρησιακή άποψη μπορούν να θεωρηθούν πρακτικώς ισοδύναμα.
Συμπληρωματικό υλικό:
Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2005.02.037
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. | Arganis-Juarez, M.L., D. Dominguez Mora Ramon, H.L. Cisneros-Iturbe and G.E. Fuentes-Mariles, Synthetic sample generation of monthly inflows into two dams using the modified Svanidze method, Hydrological Sciences Journal, 53(1), 130-141, 2008. |
| 2. | Khaliq, M.N., T.B.M.J. Ouarda, P. Gachon and L. Sushama, Temporal evolution of low-flow regimes in Canadian rivers, Water Resources Research, 44 (8), W08436, 2008. |
| 3. | #Coser, M. C., and A. S. F. Mendonça, Modelagem de séries de vazões sazonais apresentando dependência de longo termo, Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 19, Anais, Campo Grande: ABRH, 2009. |
| 4. | Salas, J. D., and T. Lee, Nonparametric simulation of single-site seasonal streamflows, Journal of Hydrologic Engineering, 15 (4), 284-296, 2010. |
| 5. | Srivastav, R. K., K. Srinivasan and K. P. Sudheer, Simulation-optimization framework for multi-season hybrid stochastic models, Journal of Hydrology, 404 (3-4), 209-225, 2011. |
| 6. | Langousis, A., and V. Kaleris, Theoretical framework to estimate spatial rainfall averages conditional on river discharges and point rainfall measurements from a single location: an application to western Greece, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1241-1263, 10.5194/hess-17-1241-2013, 2013. |
| 7. | Yusof, F., I. L. Kane and Z. Yusop, Structural break or long memory: an empirical survey on daily rainfall data sets across Malaysia, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1311-1318, 2013. |
| 8. | #Müller, R., and N. Schütze, Improving the future performance and reliability of multi-reservoir systems by multi-objective optimization, IAHS-AISH Proceedings and Reports, 362, 24-32, 2013. |
| 9. | Ilich, N., An effective three-step algorithm for multi-site generation of stochastic weekly hydrological time series, Hydrological Sciences Journal, 59 (1), 85-98, 2014. |
| 10. | Panagoulia, D., and E. I. Vlahogianni, Non-linear dynamics and recurrence analysis of extreme precipitation for observed and general circulation model generated climates, Hydrological Processes, 28(4), 2281–2292, 2014. |
| 11. | Boudaghpour S., , M. Bagheri and Z. Bagheri, Using stochastic modeling techniques to predict the changes of total suspended solids and sediments in Lighvan Chai catchment area in Iran, Journal of River Engineering, 2 (1), 2014. |
| 12. | Srivastav, R., K. Srinivasan, and S. P. Sudheer, Simulation-optimization framework for multi-site multi-season hybrid stochastic streamflow modeling, Journal of Hydrology, doi:10.1016/j.jhydrol.2016.09.025, 2016. |
D. Veneziano, and A. Langousis, The maximum of multifractal cascades: Exact distribution and approximations, Fractals, 13 (4), 311–324, 2005.
[Εκτίμηση μεγίστων με χρήση πολυμορφοκλασματικών μοντέλων: Ακριβείς και προσεγγιστικές κατανομές]
Στην παρούσα εργασία μελετούμε την κατανομή του μεγίστου Μ πολυμορφοκλασματικών μέτρων (multifractal measures), με χρήση διακριτών αναπαραστάσεων κλίμακας (discrete cascade representations). Για τις εν λόγω διακριτές αναπαραστάσεις, η ακριβής κατανομή του μεγίστου Μ μπορεί να προσδιοριστεί με χρήση αριθμητικών μεθόδων και, συνεπώς, αποφυγή προσομοιώσεως τύπου Monte Carlo. Εξετάζουμε την ευαισθησία της κατανομής του μεγίστου Μ σε διάφορες απλές προσεγγίσεις, συμπεριλαμβανομένης της ανεξαρτησίας των τυχαίων μεταβλητών της κάθε κλίμακας και αντικατάστασης του συντελεστή ιματισμού (dressing factor) του πεδίου με μία τυχαία μεταβλητή που έχει τον ίδιο τύπο κατανομής με αυτόν της μεταβλητής γενέσεως της διακριτής αναπαραστάσεως. Επίσης, μελετούμε το πώς η κατανομή του μεγίστου Μ αλλάζει με τον αριθμό των Ευκλείδειων διαστάσεων του πεδίου, καθώς και με τον χρησιμοποιούμενο συντελεστή πολλαπλότητας κατά την διαδικασία γενέσεως αυτού. Μεταξύ των παραπάνω παραγόντων, η πιο σημαντική επιρροή στην κατανομή του μεγίστου Μ προέρχεται από την σχέση εξάρτησης των τυχαίων μεταβλητών της κάθε κλίμακας, η οποία οφείλεται στην συσχέτιση μακρού εύρους του υπό μελέτη στοχαστικού πεδίου. Χρησιμοποιούμε τα αποτελέσματα της μελέτης για να προτείνουμε απλές προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό της κατανομής του μεγίστου Μ. Επίσης, παρέχουμε διαγράμματα για την εφαρμογή των εν λόγω προσεγγίσεων στην περίπτωση διακριτών αναπαραστάσεων κλίμακας τύπου beta-lognormal.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, and A. Langousis, The areal reduction factor: A multifractal analysis, Water Resources Research, 41, doi:10.1029/2004WR003765, 2005.
[Ο συντελεστής επιφανειακής αναγωγής: Ανάλυση με χρήση πολυμορφοκλασματικών μοντέλων ]
Ο συντελεστής απομείωσης επιφάνειας (ARF) η αποτελεί μία σημαντική παράμετρο για τον σχεδιασμό έναντι ακραίων υδρολογικών γεγονότων. Για μία λεκάνη απορροής με επιφάνεια a και για διάρκεια βροχόπτωσης d, η(a,d,T) είναι ο λόγος μεταξύ: της μέσης εντάσεως επιφανειακής βροχόπτωσης διάρκειας d και περιόδου επαναφοράς Τ εντός της περιοχής a, και της μέσης σημειακής βροχόπτωσης για τις ίδιες τιμές των παραμέτρων d και Τ. Εμπειρικά διαγράμματα του συντελεστή η δείχνουν ότι ο συντελεστής απομείωσης επιφάνειας εξαρτάται από την έκταση του φαινομένου βροχής στον χώρο και την διάρκειά του στον χρόνο. Για παράδειγμα, για υψηλές τιμές του λόγου (√a/d) και για δεδομένη περίοδο επαναφοράς Τ, ο συντελεστής η συμπεριφέρεται ως (√a/d)^(-α) για κάποια τιμή της παραμέτρου α. Στην παρούσα εργασία ανακτούμε τις ιδιότητες του συντελεστή η ως συνάρτηση της κλίμακας του φαινομένου βροχής στο χώρο και στο χρόνο, με την παραδοχή ότι η μέση χωροχρονική βροχόπτωση έχει στατιστικά χαρακτηριστικά που προδιαγράφονται από την θεωρία πολυκλασματικών διαστάσεων (multifractal theory). Στην εν λόγω περίπτωση, ο εκθέτης α (βλέπε παραπάνω) σχετίζεται κατά απλό τρόπο με τα στατιστικά χαρακτηριστικά της γενεσιουργού βροχοπτώσεως. Η παρούσα μελέτη λαμβάνει υπ’ όψιν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής (κανονική ή επιμήκης), ποσοτικοποιεί την επιρροή της ταχύτητας κινήσεως της καταιγίδας στις ιδιότητες του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας, και διερευνά την μεροληψία εκτίμησης της τιμής του συντελεστή η με χρήση δεδομένων βροχής από λεκάνες με χαμηλή επιφανειακή πυκνότητα βροχομετρικών ή βροχογραφικών διατάξεων. Επίσης, πραγματοποιείται μελέτη των χαρακτηριστικών του συντελεστή η για μέση χωροχρονική βροχόπτωση με στατιστικές ιδιότητες που αποκλίνουν από αυτές που προδιαγράφονται από την θεωρία πολυκλασματικών διαστάσεων. Τα αποτελέσματα της μελέτης εξηγούν πολλά από τα χαρακτηριστικά εμπειρικών διαγραμμάτων του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας της βιβλιογραφίας, ενώ την ίδια στιγμή προτείνουν σχέσεις εξάρτησης του εν λόγω συντελεστή από την γεωμετρία της λεκάνης απορροής, την ταχύτητα κινήσεως της καταιγίδας και την περίοδο επαναφοράς Τ του πλημμυρικού γεγονότος, που είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν με χρήση εμπειρικών δεδομένων. Οι προτεινόμενες θεωρητικές σχέσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μελέτη της συμπεριφοράς του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας πέραν του εύρους των παραμέτρων α, d και T που είναι αναγνωρίσιμο από τα υπάρχοντα εμπειρικά δεδομένα βροχής.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Koutsoyiannis, and A. Langousis, Precipitation, Treatise on Water Science, edited by P. Wilderer and S. Uhlenbrook, 2, 27–78, doi:10.1016/B978-0-444-53199-5.00027-0, Academic Press, Oxford, 2011.
[Κατακρημνίσματα]
Συμπληρωματικό υλικό:
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. | Khalil, B., and J. Adamowski, Record extension for short-gauged water quality parameters using a newly proposed robust version of the line of organic correlation technique, Hydrol. Earth Syst. Sci. , 16, 2253-2266, doi: 10.5194/hess-16-2253-2012, 2012. |
| 2. | #Λαγκούσης, Α., και Β. Καλέρης, Στατιστική μεθοδολογία για την εκτίμηση επιφανειακών βροχοπτώσεων σε υδρολογικές λεκάνες με έναν βροχομετρικό σταθμό και χρήση δεδομένων απορροής , Πρακτικά 2ου Κοινού Συνεδρίου ΕΥΕ-ΕΕΔΥΠ "Ολοκληρωμένη Διαχείριση Υδατικών Πόρων προς την Αειφόρο Ανάπτυξη" (Επιμ.: Π. Χ. Γιαννόπουλος και Α. Α. Δήμας) , 75-80, Πάτρα, 2012. |
| 3. | Langousis, A., and V. Kaleris, Theoretical framework to estimate spatial rainfall averages conditional on river discharges and point rainfall measurements from a single location: an application to western Greece, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1241-1263, 10.5194/hess-17-1241-2013, 2013. |
| 4. | #Khalil, B., J. Adamowski and A. Belayneh, Evaluation of the performance of eight record extension techniques under different levels of data contamination: A Monte Carlo study, Proceedings, Annual Conference - Canadian Society for Civil Engineering, 3, 2249-2258, 2013. |
| 5. | Langousis, A., and V. Kaleris, Statistical framework to simulate daily rainfall series conditional on upper-air predictor variables, Water Resources Research, 10.1002/2013WR014936, 2014. |
| 6. | Khalil, B., and J. Adamowski, Comparison of OLS, ANN, KTRL, KTRL2, RLOC, and MOVE as Record-extension techniques for water quality variables, Water, Air, & Soil Pollution, 10.1007/s11270-014-1966-1, 2014. |
| 7. | Khalil, B., and J. Adamowski, Evaluation of the performance of eight record-extension techniques under different levels of association, presence of outliers and different sizes of concurrent records: a Monte Carlo study, Water Resources Management, 10.1007/s11269-014-0799-4, 2014. |
| 8. | Kienzler, P., N. Andres, D. Naef-Huber and M. Zappa, Derivation of extreme precipitation and flooding in the catchment of Lake Sihl to improve flood protection in the city of Zurich, Hydrologie Und Wasserbewirtschaftung, 59 (2), 48-58, 10.5675/HyWa_2015,2_1, 2015. |
| 9. | Müller, H. and U. Haberlandt, Temporal Rainfall Disaggregation with a Cascade Model: From Single-Station Disaggregation to Spatial Rainfall, J. Hydrol. Eng., 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001195, 04015026, 2015. |
D. Veneziano, and A. Langousis, Scaling and fractals in hydrology, Advances in Data-based Approaches for Hydrologic Modeling and Forecasting, edited by B. Sivakumar and R. Berndtsson, 145 pages, World Scientific, 2010.
[Στοχαστική ομοιοθεσία και κλασματικότητα στην υδρολογία]
Σχεδόν όλες οι περιοχές της υδρολογίας έχουν επηρεασθεί από τις έννοιες της κλασματικότητας (fractality) και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς (scaling) των στατιστικών χαρακτηριστικών φυσικών διεργασιών. Οι βάσεις αυτών των εννοιών μπορούν να εντοπισθούν στις πρωτοποριακές εργασίες των Horton, Shreve, Hack και Hurst πάνω στην τοπολογία των δικτύων ποταμών και στις μετρικές ιδιότητες (metric properties) αυτών, καθώς και στα στατιστικά χαρακτηριστικά των χρονοσειρών παροχής. Ειδικότερα, οι εν λόγω εργασίες αποκάλυψαν συμμετρίες και νόμους που αργότερα αποδείχθηκε ότι αποτελούσαν εκδηλώσεις της ομοιοθετικής συμπεριφοράς των στατιστικών χαρακτηριστικών της βροχόπτωσης και απορροής. Ως παράδειγμα, αναφέρεται η πρωτοποριακή εργασία του Le Cam στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Η εν λόγω εργασία πρότεινε μία καινοτόμο μέθοδο μοντελοποίησης της βροχής βασισμένη στην υπέρθεση παλμών διαφορετικής διάρκειας, προσδίδοντας μία νέα οπτική γωνία στην μοντελοποίηση υδρολογικών διεργασιών σε περισσότερες από μία χρονικές και χωρικές κλίμακες. Επίσης, οι κλασματικές και ομοιοθετικές μέθοδοι στοχαστικής προσέγγισης φυσικών διεργασιών απέκτησαν πιο αυστηρή μαθηματική δομή και άρχισαν να διαδίδονται ευρέως όταν ο Mandelbrot συστηματοποίησε την κλασματική γεωμετρία και ανακαλύφθηκαν οι πολυκλασματικές (multifractal) στοχαστικές ανελίξεις. Στο παρόν κεφάλαιο συνοψίζονται οι κανόνες/χαρακτηριστικά που διέπουν την κλασματικότητα και ομοιοθετική συμπεριφορά των στατιστικών χαρακτηριστικών υδρολογικών διεργασιών, μελετώνται οι ιδιότητες και η κατασκευή στοχαστικών ανελίξεων με αυτές τις χαρακτηριστικές συμπεριφορές και, τέλος, αναφέρονται μέθοδοι εκτίμησης της κλασματικότητας και ομοιοθετικής συμπεριφοράς από ιστορικά δεδομένα. Επίσης, συνοψίζονται οι τελευταίες εξελίξεις σε τέσσερις (4) περιοχές ερευνητικού ενδιαφέροντος στην επιστήμη της υδρολογίας: βροχόπτωση, τοπογραφία δικτύων ποταμών από διεργασίες διαβρώσεως, πλημμυρικές παροχές ποταμών και ροή σε πορώδη μέσα.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, D. Veneziano, and S. Chen, Boundary layer model for moving tropical cyclones, Hurricanes and Climate Change, edited by J. Elsner and T. Jagger, 265–286, Springer, 2008.
[Μοντέλο για το οριακό στρώμα κινούμενων τροπικών κυκλώνων]
Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε ένα απλό θεωρητικό μοντέλο για το οριακό στρώμα (ΟΣ) κινούμενων τροπικών κυκλώνων. Το μοντέλο εκτιμά την οριζόντια και κατακόρυφη συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου εντός του ΟΣ κάνοντας χρήση των βασικών χαρακτηριστικών του τροπικού κυκλώνα: την μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα ανέμου Vmax, την ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα και την παράμετρο Β του Holland (τα οποία εκτιμώνται μακριά από το στερεό όριο όπου η τριβή μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα), σε συνδυασμό με την ταχύτητα μεταγωγής Vt της καταιγίδας, τον συντελεστή σύρσης στο στερεό όριο CD και τον συντελεστή κατακόρυφης διαχύσεως της οριζόντιας ποσότητας κίνησης Κ. Το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα βασίζεται στην μοντελοποίηση του Smith (1968) για στάσιμους και, συνεπώς, συμμετρικούς τροπικούς κυκλώνες. Αρχικά, το εν λόγω μοντέλο τροποποιείται και επεκτείνεται ώστε να συνυπολογίζει την ταχύτητα κίνησης του κυκλώνα, και στην συνέχεια επιλύεται με χρήση της τεχνικής ολοκληρώσεως της ποσότητας κίνησης. Το προτεινόμενο αριθμητικό σχήμα είναι υπολογιστικά γρήγορο και ευσταθές ακόμα και για υψηλές τιμές της παραμέτρου B και για ταχέως κινούμενους κυκλώνες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου συγκρίνονται με αυτά άλλων εργασιών (Shapiro, 1983; Kepert, 2001) και επαληθεύονται με χρήση του αριθμητικού μοντέλου μεσοκλίμακας 5ης γενεάς ΜΜ5 (Fifth Generation Pennsylvania State University/NCAR Mesoscale Model). Συμπεραίνουμε ότι το μοντέλο Kepert (2001) υποεκτιμά τις ακτινικές και κατακόρυφες ροές ανέμου, ενώ το μοντέλο Shapiro (1983) εκτιμά ακτινικές και κατακόρυφες ταχύτητες που είναι περίπου 2 φορές μεγαλύτερες από αυτές που προβλέπονται από το μοντέλο ΜΜ5. Το πεδίο ταχυτήτων που εκτιμάται από το προτεινόμενο μοντέλο είναι συνεπές τόσο με το μοντέλο ΜΜ5 όσο και με εμπειρικά δεδομένα από παρατηρηθέντες τροπικούς κυκλώνες. Το προτεινόμενο μοντέλο χρησιμοποιείται για την μελέτη ευαισθησίας της συμμετρικής και αντισυμμετρικής συνιστώσας του πεδίου ταχυτήτων στις παραμέτρους του τροπικού κυκλώνα. Σε συμφωνία με εμπειρικές παρατηρήσεις, συμπεραίνουμε ότι μεγαλύτερες τιμές της παραμέτρου Β και μικρότερες τιμές της ακτινικής αποστάσεως Rmax οδηγούν σε πεδία οριζοντίων ταχυτήτων που είναι πιο αιχμηρά κοντά στο κέντρο του κυκλώνα. Επίσης, συμπεραίνουμε ότι όταν οι τροπικοί κυκλώνες κινούνται στο Βόρειο Ημισφαίριο, η κατακόρυφη και η ακτινική συνιστώσα του πεδίου ταχυτήτων σε κινούμενο σύστημα συντεταγμένων εντατικοποιούνται στο εμπρός-δεξιά τμήμα του κυκλώνα, ενώ η εφαπτομενική συνιστώσα του αυτού πεδίου (σε κινούμενο σύστημα συντεταγμένων) ισχυροποιείται στην εμπρός-αριστερά περιοχή. Τέλος, η ασυμμετρία του πεδίου ταχυτήτων είναι μεγαλύτερη για ταχέως κινούμενους κυκλώνες και για υψηλότερες τιμές του συντελεστή σύρσης CD στο στερεό όριο.
Συμπληρωματικό υλικό:
G. Papacharalampous, H. Tyralis, A. Langousis, A. W. Jayawardena, B. Sivakumar, N. Mamassis, A. Montanari, and D. Koutsoyiannis, Large-scale comparison of machine learning regression algorithms for probabilistic hydrological modelling via post-processing of point predictions, European Geosciences Union General Assembly 2019, Geophysical Research Abstracts, Vol. 21, Vienna, EGU2019-3576, European Geosciences Union, 2019.
Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1943/1/documents/EGU2019-3576.pdf (33 KB)
H. Tyralis, and A. Langousis, Modelling of rainfall maxima at different durations using max-stable processes, European Geosciences Union General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, Vienna, EGU2018-2299, European Geosciences Union, 2018.
Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1805/1/documents/EGU2018-2299.pdf (32 KB)
A. Langousis, R. Deidda, and A. Carsteanu, A Simple approximation to multifractal rainfall maxima using a generalized extreme value distribution model, International Precipitation Conference (IPC10), Coimbra, Portugal, 2010.
Συμπληρωματικό υλικό:
, Α. Λαγγούσης, και , [Χωρίς αγγλικό τίτλο], , 2010.
D. Veneziano, A. Langousis, and C. Lepore, Annual rainfall maxima: Theoretical Estimation of the GEV shape parameter k using multifractal models, Eos Trans. AGU, 90(52), San Francisco, American Geophysical Union, 2009.
A. Langousis, and D. Veneziano, Extreme rainfall intensities and long-term rainfall risk from tropical cyclones, European Geosciences Union General Assembly 2009, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, Vienna, European Geosciences Union, 2009.
Συμπληρωματικό υλικό:
C. Lepore, D. Veneziano, and A. Langousis, Annual rainfall maxima: Practical estimation based on large-deviation results, European Geosciences Union General Assembly 2009, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, Vienna, European Geosciences Union, 2009.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, A. Langousis, and C. Lepore, Annual rainfall maxima: Large-deviation alternative to extreme-value and extreme-excess methods, European Geosciences Union General Assembly 2009, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, Vienna, European Geosciences Union, 2009.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Veneziano, Rainfall Hazard from Tropical Cyclones, European Geosciences Union General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, Vienna, European Geosciences Union, 2008.
Συμπληρωματικό υλικό:
C. Lepore, M.I.P. de Lima, D. Veneziano, A. Langousis, and J.L.M.P. de Lima, Statistical characterization of extreme rainfall climate along the future high-speed rail track in Portugal, European Geosciences Union General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, Vienna, European Geosciences Union, 2008.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, C. Lepore, M.I.P. de Lima, A. Langousis, and J.L.M.P. de Lima, Comparison of IDF estimation methods at selected locations of mainland Portugal, European Geosciences Union General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, Vienna, European Geosciences Union, 2008.
Συμπληρωματικό υλικό:
C. Lepore, D. Veneziano, and A. Langousis, Lognormal upper tail of rainfall intensity and POT values: Implications on the IDF curves, European Geosciences Union General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, Vienna, European Geosciences Union, 2008.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, D. Veneziano, and S. Chen, Theoretical estimation of the mean rainfall intensity field in tropical cyclones: Axi-symmetric component and asymmetry due to motion, 1st International Summit on Hurricanes and Climate Change, Crete, Greece, Crete, Greece, 2007.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, C. Lepore, A. Langousis, and P. Furcolo, Scaling, partial-scaling and classical methods of IDF curve estimation, European Geosciences Union General Assembly 2007, Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, Vienna, European Geosciences Union, 2007.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, D. Veneziano, C. Lepore, and P. Furcolo, Simple IDF estimation under multifractality, European Geosciences Union General Assembly 2007, Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, Vienna, European Geosciences Union, 2007.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, C. Lepore, A. Langousis, and P. Furcolo, Comparison of IDF estimation methods, International Precipitation Conference (IPC09), Paris, Universite Paris Est, Ecole Nationale des Ponts et Chaussees, 2007.
[Σύγκριση μεθόδων εκτίμησης όμβριων καμπυλών]
Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1014/1/documents/IPC9_2007.pdf (515 KB)
A. Langousis, and D. Veneziano, A simple theoretical model for the mean rainfall field of tropical cyclones, Eos Trans. AGU, 87(52), San Francisco, American Geophysical Union, 2006.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, and A. Langousis, Multifractality and the estimation of extreme rainfall, European Geosciences Union General Assembly 2006, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, Vienna, European Geosciences Union, 2006.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, and A. Langousis, The Maximum of multifractal cascades: exact distribution and approximations, European Geosciences Union General Assembly 2005, Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, Vienna, European Geosciences Union, 2005.
Συμπληρωματικό υλικό:
D. Veneziano, and A. Langousis, The rainfall areal reduction factor: A multifractal analysis, European Geosciences Union General Assembly 2004, Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, Nice, European Geosciences Union, 2004.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, and D. Koutsoyiannis, A stochastic methodology for generation of seasonal time series reproducing overyear scaling, Hydrofractals '03, An international conference on fractals in hydrosciences, Monte Verita, Ascona, Switzerland, doi:10.13140/RG.2.2.15242.88006, ETH Zurich, MIT, Université Pierre et Marie Curie, 2003.
[Στοχαστική μεθοδολογία για τη γέννηση χρονοσειρών με αναπαραγωγή της υπερετήσιας ομοιοθετικής συμπεριφοράς]
Κατά την παραγωγή συνθετικών υδρολογικών χρονοσειρών σε εποχιακή κλίμακα είναι σημαντικό να εξασφαλίζεται η διατήρηση των εποχιακών στατιστικών χαρακτηριστικών και της βραχυπρόθεσμης μνήμης της υπό μελέτη στοχαστικής ανέλιξης. Εξίσου όμως σημαντική είναι η αναπαραγωγή τόσο των στατιστικών χαρακτηριστικών της ετήσιας ιστορικής χρονοσειράς όσο και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς σε χρονικές κλίμακες μεγαλύτερες του έτους. Η ομοιοθετική συμπεριφορά, γνωστή και ως "φαινόμενο Hurst", έχει εντοπιστεί σε μεγάλο αριθμό υδρολογικών και κλιματικών χρονοσειρών και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τόσο τον προγραμματισμό όσο και τον σχεδιασμό των υδροσυστημάτων. Στην περίπτωση που γίνεται χρήση μοντέλων εποχιακής κλίμακας, η διατήρηση των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς είναι μία ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία και τις περισσότερες φορές αγνοείται. Οι τεχνικές επιμερισμού αποτελούν τον μόνο τρόπο για την παραγωγή συνθετικών χρονοσειρών που είναι συμβατές με το ιστορικό δείγμα σε περισσότερες από μία χρονικές κλίμακες ενδιαφέροντος, όπως είναι η ετήσια και η εποχιακή. Οι εν λόγω τεχνικές υλοποιούνται σε δύο ή περισσότερα βήματα, όπου στο πρώτο βήμα παράγονται ετήσιες χρονοσειρές που διαδοχικά επιμερίζονται σε λεπτότερες κλίμακες. Ο επιμερισμός, όμως, παρουσιάζει κάποια προβλήματα (π.χ. εκτίμηση παραμέτρων), ανακρίβειες και γενικά είναι μία αργή διαδικασία. Εναλλακτικά προτείνεται μία νέα μεθοδολογία, βάσει της οποίας η αναπαραγωγή των στατιστικών χαρακτηριστικών γίνεται σε μηνιαία κλίμακα, χωρίς χρήση τεχνικών επιμερισμού, και κατά τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ταυτόχρονη διατήρηση τόσο των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών όσο και της υπερετήσιας συμπεριφοράς της ιστορικής χρονοσειράς, με άμεσο αποτέλεσμα την αξιόπιστη αναπαραγωγή του φαινομένου Hurst.
Σχετικές εργασίες:
Πλήρες κείμενο:
Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.15242.88006
Α. Λαγγούσης, Στοχαστική προσομοίωση και εκτίμηση ακραίων γεγονότων βροχής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ιούνιος 2010.
Συμπληρωματικό υλικό:
Α. Λαγγούσης, Απλές μέθοδοι εκτίμησης ακραίων γεγονότων βροχής βασισμένες στην θεωρία πολυκλασματικών διαστάσεων, Ολοκληρωμένος σχεδιασμός αντιπλημμυρικής προστασίας: Η πρόκληση για το μέλλον, Αθήνα, Σύλλογος Πολιτικών Μηχανικών Ελλάδας, 2010.
Στην παρούσα εργασία μελετούμε την κατανομή των ακραίων εντάσεων βροχής που εκτιμώνται από ένα πολυμορφοκλασματικό (multifractal) στοχαστικό μοντέλο, και προτείνουμε μία μεθοδολογία υπολογισμού όμβριων καμπύλων δομημένη ειδικά για εφαρμογές Πολιτικού Μηχανικού. Το προτεινόμενο μοντέλο βασίζεται στην παραδοχή ότι μία χρονοσειρά βροχόπτωσης μπορεί να περιγραφεί από μία ακολουθία ανεξάρτητων παλμών σταθερής διάρκειας D με εσωτερική δομή στάσιμης πολυμορφοκλασματικής (multifractal) ανελίξεως. Προτείνουμε αναλυτικές σχέσεις για τον προσεγγιστικό υπολογισμό όμβριων καμπύλων, και χρησιμοποιούμε αυτές τις σχέσεις για να δομήσουμε μία μέθοδο εκτίμησης ακραίων γεγονότων βροχής προσαρμοσμένη στην υδρολογική πρακτική. Η προτεινόμενη μέθοδος πλεονεκτεί έναντι της παραδοσιακής πρακτικής που βασίζεται στην προσαρμογή κατανομών ακροτάτων στα παρατηρούμενα ετήσια μέγιστα. Για παράδειγμα, κατά την προσαρμογή του στοχαστικού μοντέλου γίνεται χρήση του συνόλου της διαθέσιμης υδρολογικής πληροφορίας, ενώ οι παραδοσιακές μέθοδοι εκτίμησης ακραίων βροχοπτώσεων χρησιμοποιούν αποκλειστικά το τμήμα της υδρολογικής πληροφορίας που περιέχεται στην χρονοσειρά των ετήσιων μεγίστων. Η χρήση του συνόλου της διαθέσιμης υδρολογικής πληροφορίας κάνει την προτεινόμενη μέθοδο λιγότερο ευαίσθητη σε εξωδειγματικά σημεία (outliers), επιτυγχάνοντας υψηλή ακρίβεια αποτελεσμάτων ακόμη και για μικρού μήκους (έως και 5 χρόνια) ιστορικά δείγματα.
Συμπληρωματικό υλικό:
Α. Λαγγούσης, Εκτίμηση επικινδυνότητας βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες, Τμήμα Μηχ. Περ., Πολυτεχνείο Κρήτης, Ιανουάριος 2010.
Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε μία νέα μεθοδολογία εκτίμησης του ρυθμού εμφάνισης ακραίων γεγονότων βροχής από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές. Ένα βασικό στοιχείο της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας της τυχαίας μεταβλητής ID,max: της μέγιστης εντάσεως βροχής διάρκειας D στην θέση ενδιαφέροντος κατά το πέρας ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ. Η μακροπρόθεσμη επικινδυνότητα βροχοπτώσεων εκτιμάται συνδυάζοντας την συνάρτηση δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) με ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα. Η έλλειψη εκτενών δεδομένων βροχής από τροπικούς κυκλώνες και το πλήθος των παραμέτρων που απαιτούνται για τον χαρακτηρισμό της κινήσεως, του μεγέθους και της εντάσεως ενός κυκλώνα κάνουν την εκτίμηση της συνάρτησης δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) αποκλειστικά από δεδομένα βροχής δύσκολη. Ως εκ τούτου, καταφύγαμε στον συνδυασμό ενός φυσικομαθηματικού προσομοιώματος για την εκτίμηση του μέσου πεδίου βροχής ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ, και ενός στοχαστικού μοντέλου για τον συνυπολογισμό των διακυμάνσεων του πεδίου βροχής τόσο σε κλίμακα καταιγίδας όσο και σε μικρότερες χωρικές και χρονικές κλίμακες. Οι μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις προέρχονται από εντατικοποίηση του πεδίου βροχής από επαγωγικά φαινόμενα τοπικής κλίμακας (local convection) καθώς και από σπειροειδείς σχηματισμούς (rainbands) που οφείλονται στην μεγάλης κλίμακας ακτινική σύγκλιση. Το διάνυσμα των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα συμπεριλαμβάνει την μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα του πεδίου ανέμων Vmax, την ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα, την ταχύτητα Vt της καταιγίδας και την απόσταση y της παράκτιας θέσεως ενδιαφέροντος από το κέντρο του κυκλώνα. Το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του πεδίου βροχοπτώσεως από τροπικούς κυκλώνες είναι μία γενίκευση του μοντέλου Smith (1968) για το οριακό στρώμα τροπικών κυκλώνων η οποία συνδυάζεται με ένα απλό θερμοδυναμικό σχήμα για τον υπολογισμό της κατακόρυφης παροχής υδρατμών, οι οποίοι θεωρείται ότι μετατρέπονται πλήρως σε βροχή. Το εκτιμώμενο πεδίο βροχής δεν είναι ανάλογο της κατακόρυφης ροής υδρατμών για δύο λόγους: 1) η τροχιά των ανερχόμενων υδρατμών παρουσιάζει μία κλίση προς τη περιφέρεια, η οποία εξαρτάται από την ακτινική απόσταση ως προς το κέντρο του κυκλώνα και, 2) λόγω της κυκλωνικής κυκλοφορίας του αέρα, οι ανερχόμενοι υδρατμοί και οι κατερχόμενες σταγόνες βροχής ακολουθούν μία ελικοειδή κίνηση. Έτσι, η μάζα των υδρατμών που ανέρχεται από ένα σημείο του κυκλώνα συνεισφέρει βροχή σε ένα εύρος αζιμούθιων θέσεων. Το στοχαστικό κομμάτι της προτεινόμενης μεθοδολογίας εκτιμά την κατανομή της μεταβλητής (ID,max|θ) συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του φυσικομαθηματικού προσομοιώματος με δεδομένα βροχομετρικού ραντάρ (precipitation radar, PR) από την δορυφορική αποστολή TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Επιπρόσθετα, η υπόθεση Taylor χρησιμοποιείται για την μετατροπή των χωρικών διακυμάνσεων του πεδίου βροχοπτώσεως σε χρονικές διακυμάνσεις της εντάσεως βροχής σε μία θέση ενδιαφέροντος Α. Με στόχο την χρήση του μοντέλου για την μακροπρόθεσμη εκτίμηση επικινδυνότητας από βροχοπτώσεις, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών τροπικών κυκλώνων που κινούνται στην περιοχή του κόλπου του Μεξικού και προσπίπτουν στην ακτή εντός του γεωγραφικού εύρους 85ο-95οW. Στην συνέχεια, συγκρίναμε τις όμβριες καμπύλες που εκτιμώνται από την προτεινόμενη μεθοδολογία για την περιοχή της Νέας Ορλεάνης των Η.Π.Α. με αυτές που υπολογίζονται από χρονοσειρές ιστορικών δεδομένων βροχής. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν όλους τους τύπους καταιγίδων: τροπικούς κυκλώνες και μη. Συμπεραίνουμε ότι για περιόδους επαναφοράς μεγαλύτερες ή ίσες των 100 ετών και για μεγάλες διάρκειες βροχοπτώσεως (12-24 ώρες) η βροχόπτωση από τροπικούς κυκλώνες υπερισχύει έναντι άλλων τύπων καταιγίδων, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για μικρότερες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχοπτώσεως. Επίσης, προσδιορίζουμε το σενάριο τροπικού κυκλώνα με την μείζονα επιρροή στην μέγιστη παρατηρούμενη βροχόπτωση διάρκειας D με περίοδο επαναφοράς Τ. Αυτό το επιτυγχάνουμε με τον υπολογισμό της πιο πιθανής τιμής (modal value) των παραμέτρων Vmax, Rmax και Vt, δεδομένου ότι η μέγιστη βροχόπτωση διάρκειας D υπερβαίνει την ένταση με περίοδο επαναφοράς Τ. Η πιο πιθανή τιμή της ταχύτητας μεταγωγής Vt είναι φθίνουσα συνάρτηση της περιόδου επαναφοράς Τ. Αυτό είναι επακόλουθο του γεγονότος ότι πιο ισχυρές βροχοπτώσεις προκαλούνται από αργά κινούμενα καιρικά συστήματα. Η πιο πιθανή τιμή της ακτινικής αποστάσεως μεγίστου Rmax μειούται όταν οι παράμετροι D ή Τ αυξάνουν, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για την παράμετρο Vmax. Η πιθανότερη τιμή της αποστάσεως y από το κέντρο του κυκλώνα είναι κοντά σε αυτήν της παραμέτρου Rmax: την περιοχή μεγίστης εντάσεως βροχής, όπως αυτή προσδιορίζεται από το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του μέσου πεδίου βροχής. Οι παραπάνω πιθανότερες τιμές των παραμέτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό του σεναρίου μέγιστης βροχοπτώσεως περιόδου επαναφοράς Τ από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές υδρολογικού ενδιαφέροντος.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, Extreme rainfall intensities and long-term rainfall risk from tropical cyclones, Dep. of Civil and Env. Eng, Nicosia, Cyprus, Νοέμβριος 2009.
[Εκτίμηση επικινδυνότητας βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες]
Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε μία νέα μεθοδολογία εκτίμησης του ρυθμού εμφάνισης ακραίων γεγονότων βροχής από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές. Ένα βασικό στοιχείο της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας της τυχαίας μεταβλητής ID,max: της μέγιστης εντάσεως βροχής διάρκειας D στην θέση ενδιαφέροντος κατά το πέρας ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ. Η μακροπρόθεσμη επικινδυνότητα βροχοπτώσεων εκτιμάται συνδυάζοντας την συνάρτηση δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) με ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα. Η έλλειψη εκτενών δεδομένων βροχής από τροπικούς κυκλώνες και το πλήθος των παραμέτρων που απαιτούνται για τον χαρακτηρισμό της κινήσεως, του μεγέθους και της εντάσεως ενός κυκλώνα κάνουν την εκτίμηση της συνάρτησης δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) αποκλειστικά από δεδομένα βροχής δύσκολη. Ως εκ τούτου, καταφύγαμε στον συνδυασμό ενός φυσικομαθηματικού προσομοιώματος για την εκτίμηση του μέσου πεδίου βροχής ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ, και ενός στοχαστικού μοντέλου για τον συνυπολογισμό των διακυμάνσεων του πεδίου βροχής τόσο σε κλίμακα καταιγίδας όσο και σε μικρότερες χωρικές και χρονικές κλίμακες. Οι μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις προέρχονται από εντατικοποίηση του πεδίου βροχής από επαγωγικά φαινόμενα τοπικής κλίμακας (local convection) καθώς και από σπειροειδείς σχηματισμούς (rainbands) που οφείλονται στην μεγάλης κλίμακας ακτινική σύγκλιση. Το διάνυσμα των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα συμπεριλαμβάνει την μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα του πεδίου ανέμων Vmax, την ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα, την ταχύτητα Vt της καταιγίδας και την απόσταση y της παράκτιας θέσεως ενδιαφέροντος από το κέντρο του κυκλώνα. Το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του πεδίου βροχοπτώσεως από τροπικούς κυκλώνες είναι μία γενίκευση του μοντέλου Smith (1968) για το οριακό στρώμα τροπικών κυκλώνων η οποία συνδυάζεται με ένα απλό θερμοδυναμικό σχήμα για τον υπολογισμό της κατακόρυφης παροχής υδρατμών, οι οποίοι θεωρείται ότι μετατρέπονται πλήρως σε βροχή. Το εκτιμώμενο πεδίο βροχής δεν είναι ανάλογο της κατακόρυφης ροής υδρατμών για δύο λόγους: 1) η τροχιά των ανερχόμενων υδρατμών παρουσιάζει μία κλίση προς τη περιφέρεια, η οποία εξαρτάται από την ακτινική απόσταση ως προς το κέντρο του κυκλώνα και, 2) λόγω της κυκλωνικής κυκλοφορίας του αέρα, οι ανερχόμενοι υδρατμοί και οι κατερχόμενες σταγόνες βροχής ακολουθούν μία ελικοειδή κίνηση. Έτσι, η μάζα των υδρατμών που ανέρχεται από ένα σημείο του κυκλώνα συνεισφέρει βροχή σε ένα εύρος αζιμούθιων θέσεων. Το στοχαστικό κομμάτι της προτεινόμενης μεθοδολογίας εκτιμά την κατανομή της μεταβλητής (ID,max|θ) συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του φυσικομαθηματικού προσομοιώματος με δεδομένα βροχομετρικού ραντάρ (precipitation radar, PR) από την δορυφορική αποστολή TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Επιπρόσθετα, η υπόθεση Taylor χρησιμοποιείται για την μετατροπή των χωρικών διακυμάνσεων του πεδίου βροχοπτώσεως σε χρονικές διακυμάνσεις της εντάσεως βροχής σε μία θέση ενδιαφέροντος Α. Με στόχο την χρήση του μοντέλου για την μακροπρόθεσμη εκτίμηση επικινδυνότητας από βροχοπτώσεις, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών τροπικών κυκλώνων που κινούνται στην περιοχή του κόλπου του Μεξικού και προσπίπτουν στην ακτή εντός του γεωγραφικού εύρους 85ο-95οW. Στην συνέχεια, συγκρίναμε τις όμβριες καμπύλες που εκτιμώνται από την προτεινόμενη μεθοδολογία για την περιοχή της Νέας Ορλεάνης των Η.Π.Α. με αυτές που υπολογίζονται από χρονοσειρές ιστορικών δεδομένων βροχής. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν όλους τους τύπους καταιγίδων: τροπικούς κυκλώνες και μη. Συμπεραίνουμε ότι για περιόδους επαναφοράς μεγαλύτερες ή ίσες των 100 ετών και για μεγάλες διάρκειες βροχοπτώσεως (12-24 ώρες) η βροχόπτωση από τροπικούς κυκλώνες υπερισχύει έναντι άλλων τύπων καταιγίδων, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για μικρότερες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχοπτώσεως. Επίσης, προσδιορίζουμε το σενάριο τροπικού κυκλώνα με την μείζονα επιρροή στην μέγιστη παρατηρούμενη βροχόπτωση διάρκειας D με περίοδο επαναφοράς Τ. Αυτό το επιτυγχάνουμε με τον υπολογισμό της πιο πιθανής τιμής (modal value) των παραμέτρων Vmax, Rmax και Vt, δεδομένου ότι η μέγιστη βροχόπτωση διάρκειας D υπερβαίνει την ένταση με περίοδο επαναφοράς Τ. Η πιο πιθανή τιμή της ταχύτητας μεταγωγής Vt είναι φθίνουσα συνάρτηση της περιόδου επαναφοράς Τ. Αυτό είναι επακόλουθο του γεγονότος ότι πιο ισχυρές βροχοπτώσεις προκαλούνται από αργά κινούμενα καιρικά συστήματα. Η πιο πιθανή τιμή της ακτινικής αποστάσεως μεγίστου Rmax μειούται όταν οι παράμετροι D ή Τ αυξάνουν, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για την παράμετρο Vmax. Η πιθανότερη τιμή της αποστάσεως y από το κέντρο του κυκλώνα είναι κοντά σε αυτήν της παραμέτρου Rmax: την περιοχή μεγίστης εντάσεως βροχής, όπως αυτή προσδιορίζεται από το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του μέσου πεδίου βροχής. Οι παραπάνω πιθανότερες τιμές των παραμέτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό του σεναρίου μέγιστης βροχοπτώσεως περιόδου επαναφοράς Τ από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές υδρολογικού ενδιαφέροντος.
Συμπληρωματικό υλικό:
Α. Λαγγούσης, Εκτίμηση επικινδυνότητας βροχοπτώσεων από τροπικούς κυκλώνες, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ιούνιος 2009.
Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε μία νέα μεθοδολογία εκτίμησης του ρυθμού εμφάνισης ακραίων γεγονότων βροχής από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές. Ένα βασικό στοιχείο της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας της τυχαίας μεταβλητής ID,max: της μέγιστης εντάσεως βροχής διάρκειας D στην θέση ενδιαφέροντος κατά το πέρας ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ. Η μακροπρόθεσμη επικινδυνότητα βροχοπτώσεων εκτιμάται συνδυάζοντας την συνάρτηση δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) με ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα. Η έλλειψη εκτενών δεδομένων βροχής από τροπικούς κυκλώνες και το πλήθος των παραμέτρων που απαιτούνται για τον χαρακτηρισμό της κινήσεως, του μεγέθους και της εντάσεως ενός κυκλώνα κάνουν την εκτίμηση της συνάρτησης δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) αποκλειστικά από δεδομένα βροχής δύσκολη. Ως εκ τούτου, καταφύγαμε στον συνδυασμό ενός φυσικομαθηματικού προσομοιώματος για την εκτίμηση του μέσου πεδίου βροχής ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ, και ενός στοχαστικού μοντέλου για τον συνυπολογισμό των διακυμάνσεων του πεδίου βροχής τόσο σε κλίμακα καταιγίδας όσο και σε μικρότερες χωρικές και χρονικές κλίμακες. Οι μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις προέρχονται από εντατικοποίηση του πεδίου βροχής από επαγωγικά φαινόμενα τοπικής κλίμακας (local convection) καθώς και από σπειροειδείς σχηματισμούς (rainbands) που οφείλονται στην μεγάλης κλίμακας ακτινική σύγκλιση. Το διάνυσμα των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα συμπεριλαμβάνει την μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα του πεδίου ανέμων Vmax, την ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα, την ταχύτητα Vt της καταιγίδας και την απόσταση y της παράκτιας θέσεως ενδιαφέροντος από το κέντρο του κυκλώνα. Το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του πεδίου βροχοπτώσεως από τροπικούς κυκλώνες είναι μία γενίκευση του μοντέλου Smith (1968) για το οριακό στρώμα τροπικών κυκλώνων η οποία συνδυάζεται με ένα απλό θερμοδυναμικό σχήμα για τον υπολογισμό της κατακόρυφης παροχής υδρατμών, οι οποίοι θεωρείται ότι μετατρέπονται πλήρως σε βροχή. Το εκτιμώμενο πεδίο βροχής δεν είναι ανάλογο της κατακόρυφης ροής υδρατμών για δύο λόγους: 1) η τροχιά των ανερχόμενων υδρατμών παρουσιάζει μία κλίση προς τη περιφέρεια, η οποία εξαρτάται από την ακτινική απόσταση ως προς το κέντρο του κυκλώνα και, 2) λόγω της κυκλωνικής κυκλοφορίας του αέρα, οι ανερχόμενοι υδρατμοί και οι κατερχόμενες σταγόνες βροχής ακολουθούν μία ελικοειδή κίνηση. Έτσι, η μάζα των υδρατμών που ανέρχεται από ένα σημείο του κυκλώνα συνεισφέρει βροχή σε ένα εύρος αζιμούθιων θέσεων. Το στοχαστικό κομμάτι της προτεινόμενης μεθοδολογίας εκτιμά την κατανομή της μεταβλητής (ID,max|θ) συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του φυσικομαθηματικού προσομοιώματος με δεδομένα βροχομετρικού ραντάρ (precipitation radar, PR) από την δορυφορική αποστολή TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Επιπρόσθετα, η υπόθεση Taylor χρησιμοποιείται για την μετατροπή των χωρικών διακυμάνσεων του πεδίου βροχοπτώσεως σε χρονικές διακυμάνσεις της εντάσεως βροχής σε μία θέση ενδιαφέροντος Α. Με στόχο την χρήση του μοντέλου για την μακροπρόθεσμη εκτίμηση επικινδυνότητας από βροχοπτώσεις, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών τροπικών κυκλώνων που κινούνται στην περιοχή του κόλπου του Μεξικού και προσπίπτουν στην ακτή εντός του γεωγραφικού εύρους 85ο-95οW. Στην συνέχεια, συγκρίναμε τις όμβριες καμπύλες που εκτιμώνται από την προτεινόμενη μεθοδολογία για την περιοχή της Νέας Ορλεάνης των Η.Π.Α. με αυτές που υπολογίζονται από χρονοσειρές ιστορικών δεδομένων βροχής. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν όλους τους τύπους καταιγίδων: τροπικούς κυκλώνες και μη. Συμπεραίνουμε ότι για περιόδους επαναφοράς μεγαλύτερες ή ίσες των 100 ετών και για μεγάλες διάρκειες βροχοπτώσεως (12-24 ώρες) η βροχόπτωση από τροπικούς κυκλώνες υπερισχύει έναντι άλλων τύπων καταιγίδων, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για μικρότερες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχοπτώσεως. Επίσης, προσδιορίζουμε το σενάριο τροπικού κυκλώνα με την μείζονα επιρροή στην μέγιστη παρατηρούμενη βροχόπτωση διάρκειας D με περίοδο επαναφοράς Τ. Αυτό το επιτυγχάνουμε με τον υπολογισμό της πιο πιθανής τιμής (modal value) των παραμέτρων Vmax, Rmax και Vt, δεδομένου ότι η μέγιστη βροχόπτωση διάρκειας D υπερβαίνει την ένταση με περίοδο επαναφοράς Τ. Η πιο πιθανή τιμή της ταχύτητας μεταγωγής Vt είναι φθίνουσα συνάρτηση της περιόδου επαναφοράς Τ. Αυτό είναι επακόλουθο του γεγονότος ότι πιο ισχυρές βροχοπτώσεις προκαλούνται από αργά κινούμενα καιρικά συστήματα. Η πιο πιθανή τιμή της ακτινικής αποστάσεως μεγίστου Rmax μειούται όταν οι παράμετροι D ή Τ αυξάνουν, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για την παράμετρο Vmax. Η πιθανότερη τιμή της αποστάσεως y από το κέντρο του κυκλώνα είναι κοντά σε αυτήν της παραμέτρου Rmax: την περιοχή μεγίστης εντάσεως βροχής, όπως αυτή προσδιορίζεται από το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του μέσου πεδίου βροχής. Οι παραπάνω πιθανότερες τιμές των παραμέτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό του σεναρίου μέγιστης βροχοπτώσεως περιόδου επαναφοράς Τ από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές υδρολογικού ενδιαφέροντος.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, Extreme rainfall intensities and long-term rainfall risk from tropical cyclones, Risk Management Solutions, London, UK, Ιούνιος 2009.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, Assessing rainfall risk from tropical cyclones, Travelers Insurance, Connecticut, USA, Απρίλιος 2009.
Συμπληρωματικό υλικό:
A. Langousis, Assessing rainfall risk from tropical cyclones, AIR Worldwide, Boston, MA, USA, Μάιος 2009.
[Assessing rainfall risk from tropical cyclones]
Συμπληρωματικό υλικό:
Α. Λαγγούσης, Κίνδυνοι μετά την κρίση, ΑΞΙΑ, 9 May 2009.
Η νωπή ακόμα στις μνήμες μας κρίση δεν ήταν παρά το κερασάκι στην τούρτα μίας παγκόσμιας οικονομίας που μεγεθύνεται χωρίς αντίκρισμα. Κανείς όμως δεν φαίνεται να κάνει λόγο για την αναμενόμενη κατάληξη ενός συστήματος που αποτελείται από ένα περιορισμένο απόθεμα φυσικών και ενεργειακών πόρων, μία συνεχώς μεγεθυνόμενη παραγωγή, μία κοινωνία που δύναται να καταναλώνει ακόρεστα, και ένα χρηματοπιστωτικό σύστημα που δανείζει ταυτόχρονα και τα δύο άκρα του νήματος με στόχο την κερδοφορία από τους τόκους. Σε αντίθεση με το ελληνικό νοικοκυριό, οι τράπεζες κρίνονται απεριόριστα φερέγγυες και δικαιούνται να παρέχουν πιστώσεις υψηλού ρίσκου χωρίς κάποιο ουσιαστικό έλεγχο. Σε έναν τέτοιο τραπεζικό παράδεισο οι επιχειρήσεις δανείζονται υποσχόμενες μεγιστοποίηση των κερδών υπό καθεστώς ελαχιστοποιήσεως του κόστους και εντατικοποιήσεως της παραγωγής, και ο πολίτης δανείζεται με την υποχρέωση να εργαστεί ακόμα περισσότερο για να επιστρέψει πρώτα τους τόκους και έπειτα το κεφάλαιο. Το πρόβλημα είναι ότι, με τους περιβαλλοντικούς και εργασιακούς νόμους του ανεπτυγμένου κόσμου και με τους τρέχοντες ρυθμούς οικονομικής ανάπτυξης, οι υποχρεώσεις τόσο των επιχειρήσεων όσο και του πολίτη δύσκολα ικανοποιούνται. Απόδειξη ότι δουλεύουμε 12 ώρες την ημέρα, τα έσοδα του ελληνικού νοικοκυριού μετα βίας καλύπτουν το κόστος διαβίωσης, και οι επιχειρήσεις μεταναστεύουν σε χώρες όπου η ανέχεια και το ξεπούλημα του περιβάλλοντος μειώνουν το κόστος παραγωγής στο ελάχιστο. Με τους τόκους απλήρωτους, τα έσοδα των χρηματοπιστωτικών οργανισμών μειώνονται, η φερεγγυότητα των τραπεζικών κολοσσών κλονίζεται, και με λίγη βοήθεια η οικονομική αμφισβήτηση μεγεθύνεται σε κοινωνικο-οικονομικό αδιέξοδο. Η προτεινόμενη λύση σε Ευρώπη και Αμερική είναι ο κρατικός παρεμβατισμός με στόχο την στήριξη των χρηματοπιστωτικών κέντρων. Εν ολίγοις, το κράτος χρηματοδοτεί το τραπεζικό σύστημα με σκοπό την εξασφάλιση ευνοϊκότερων όρων δανεισμού τόσο του καταναλωτή όσο και των επιχειρήσεων. Με αυτόν τον τρόπο οι ρυθμοί παραγωγής και κατανάλωσης εντατικοποιούνται, οι χρηματορροές επιταχύνονται και δίνεται μία νέα ευκαιρία στην οικονομία να ορθοποδήσει. Όλα αυτά υπό την προϋπόθεση ότι η κρίση ήταν αποτέλεσμα λανθασμένων οικονομικών χειρισμών και όχι απόρροια της αδυναμίας του συστήματος να ανταποκριθεί στους υπερεντατικούς ρυθμούς παραγωγής και ανάπτυξης. Είναι όμως μία τέτοια θεώρηση αρκετά ρεαλιστική; Αποφυγή μίας νέας οικονομικής κρίσης στο βραχυπρόθεσμο μέλλον προϋποθέτει ότι τα παραγωγικά κέντρα και ο καταναλωτής δύνανται να αντεπεξέλθουν στις υποχρεώσεις αποπληρωμής των τοκοχρεολυσίων της προτεινόμενης οικονομικής ανάνηψης. Η παρελθούσα κρίση και ο φόβος μίας οικονομίας που καταρρέει δίνουν το έναυσμα για την είσοδο μας σε μία νέα εποχή υπερεντατικής εκμετάλλευσης του ατόμου και του περιβάλλοντος. Κύριοι στόχοι είναι η μειωμένου κόστους παραγωγή και η επιτάχυνση των χρηματορροών με σκοπό την γρήγορη έξοδο από το οικονομικό αδιέξοδο και την είσοδο σε έναν καταναλωτικό παράδεισο. Ξεχνάμε βέβαια να αναλογιστούμε την έκταση των κοινωνικών και περιβαλλοντικών προβλημάτων που διαφαίνονται στον ορίζοντα. Η ανέχεια και οι διαμαρτυρίες των πολιτών για την υφιστάμενη κοινωνικο-οικονομική κρίση ξεκίνησαν να παίρνουν την μορφή τρομοκρατικών επιθέσεων που κλονίζουν την ασφάλεια των πολιτιστικών κέντρων. Το ανερχόμενο ποσοστό ανεργίας σε ολόκληρο τον κόσμο σύντομα θα αναγκάσει το άτομο να εργάζεται ακατάπαυστα χωρίς κοινωνικές παροχές με την υποχρέωση της ιδιωτικής ασφάλισης. Χωρίς χρήματα, κοινωνική μέριμνα και υπό την επίρροια του φόβου μίας νέας κρίσης, το άτομο αποπροσανατολίζεται, χάνει τις αντιστάσεις του και τελικά αλλοτριώνεται, την ίδια στιγμή που οι κοινωνικές δομές αμβλύνονται και η πνευματική κληρονομιά ξεθωριάζει. Στο καλοσκηνοθετημένο αυτό σενάριο πολυμέτωπης επίθεσης ο άνθρωπος χάνει την καταγωγή και τον προορισμό του, αφομοιώνεται από το σύστημα και ο έλεγχος περνά σταδιακά από τα χέρια του πολίτη στα χέρια του σκηνοθέτη χωρίς πολλές ερωτήσεις και αντιδράσεις. Δεδομένου ότι οι υδατικοί πόροι, ο καθαρός αέρας, η χλωρίδα και η πανίδα δεν τιμολογούνται, το περιβάλλον χρησιμοποιείται ως ελεύθερη μεταβλητή σε μία βελτιστοποίηση ελαχιστοποίησης του κόστους. Για παράδειγμα, αγοράζουμε φθηνά προϊόντα χαμηλής ποιότητας τα οποία αποδεικνύονται ελαττωματικά, γιατί το κόστος απόρριψης τους στον πάτο μίας χωματερής είναι μικρότερο από αυτό της διατήρησης μονάδων ποιοτικού ελέγχου και επαναφοράς των προϊόντων στην αρχή της παραγωγικής γραμμής. Εν ολίγοις, ζούμε το σήμερα και κάνουμε σχέδια για το μέλλον την ίδια στιγμή που ρυπαίνουμε και απομυζούμε τα φυσικά και ενεργειακά αποθέματα του πλανήτη μας σαν να μην υπάρχει αύριο. Τελικά, ο φαύλος κύκλος των αυξημένων ρυθμών παραγωγής, κατανάλωσης και εκμετάλλευσης του περιβάλλοντος δεν στοχεύει σε ουσιαστική ανάπτυξη, άλλα στην διατήρηση μίας νοσούσας οικονομίας λίγο πριν από τα πρόθυρα της κατάρρευσης. Μίας οικονομίας φούσκας που μπορεί να συντηρηθεί μόνο υπό καθεστώς γιγάντωσης της παραγωγής, εξάντλησης των φυσικών και ενεργειακών πόρων και αλλοτρίωσης του ατόμου. Ως πότε όμως η κοινωνία και το περιβάλλον δύνανται να συντηρήσουν τους προτεινόμενους ρυθμούς παραγωγής; Πόσο αλαζονική φαντάζει η βιωσιμότητα μίας συνεχώς μεγεθυνόμενης οικονομίας σε έναν πλανήτη με περιορισμένα φυσικά και ενεργειακά αποθέματα;
Α. Λαγγούσης, Ανάπτυξη και λανθασμένες επιλογές, ΤΑ ΝΕΑ, 15 July 2008.
Από νωρίς ο άνθρωπος απαρνήθηκε τον άνεμο, το νερό και τον ήλιο αναζητώντας υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης στο κάρβουνο, το λιγνίτη και το πετρέλαιο. Πολλοί ισχυρίζονται ότι η ταχύρρυθμη βιομηχανική ανάπτυξη, οι ασταθείς κοινωνικές δομές και η έλλειψη διαθέσιμης τεχνολογίας στις αρχές του 20ου αιώνα ευνόησαν την επιλογή των χημικών καυσίμων έναντι των αέναων πηγών ενέργειας. Τα ορυκτά καύσιμα παρείχαν ευκόλως διαθέσιμη ενέργεια στον χρόνο και στον τόπο ζήτησης προσδίδοντας σταθερότητα στους ρυθμούς βιομηχανικής και οικονομικής ανάπτυξης των πολιτιστικών κέντρων. Έναν αιώνα αργότερα η τεχνολογία για την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι πλέον διαθέσιμη, οι ρυθμοί βιομηχανικής ανάπτυξης επιβεβαιώνουν την υπόθεση μίας επερχόμενης ενεργειακής κρίσης και εμείς συνεχίζουμε να επενδύουμε στον μύθο των ορυκτών καυσίμων. Μήπως τελικά το αυξημένο κόστος ζωής, οι ενεργειακοί πόλεμοι και η καταστροφή του περιβάλλοντος δεν είναι απλά το αποτέλεσμα της ταχύρρυθμης ανάπτυξης αλλά μία πάγια τακτική για να δικαιολογήσουμε λανθασμένες αλλά οικονομικά συμφέρουσες επιλογές; Από το 1996 η κατανάλωση πετρέλαιου στον ανεπτυγμένο κόσμο αυξάνεται κατά 1.5% το χρόνο φθάνοντας το 2006 τα 17 βαρέλια ανα κάτοικο και ανά έτος, ενώ η αντίστοιχη ετήσια κατανάλωση στην υπό ανάπτυξη Κίνα ανέρχεται στα 2 βαρέλια ανα κάτοικο και αυξάνεται με τριπλάσιο ρυθμό. Όλοι κάνουν λόγο για ένα περιβάλλον που αλλάζει από τις αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα ενώ οι διεθνείς οργανισμοί δεν θεσπίζουν κάποιο ουσιαστικό μέτρο για την αντιμετώπιση του προβλήματος. Εν ολίγοις, στοχεύουμε στην εντατικοποίηση της χαμηλού κόστους τριτογενούς παραγωγής, διαφημίζουμε δωρεάν κινητά τηλέφωνα και επενδύουμε στην έρευνα για κατασκευή υπολογιστών κόστους 100 δολαρίων, την ίδια στιγμή που δηλώνουμε ανησυχία για την υποβάθμιση του περιβάλλοντος από τις αυξημένες εκπομπές ρύπων, την ασύστολη απόρριψη ξεπερασμένου τεχνολογικού υλικού και την έλλειψη περιβαλλοντικής νομοθεσίας παγκόσμιας ισχύος. Κατά παρόμοιο τρόπο η τιμή του πετρελαίου και το κόστος διαβίωσης αυξάνουν με γοργούς ρυθμούς, ενεργειακοί πόλεμοι ετοιμάζονται για ακόμη μία φορά να ξεσπάσουν, η ανεργία στην Ελλάδα αγγίζει το 9% και ο απλός πολίτης βρίσκεται πάλι στην θέση του κατηγορουμένου επειδή χρησιμοποιεί αυτοκίνητο, παραπονιέται για το κόστος ζωής και ιδιοποιείται υπέρμετρα την διαθέσιμη φθηνή τεχνολογία. Μία τεχνολογία που έχει τη βάση της στο όνειρο της παγκοσμιοποίησης που τελικά αντί να προσφέρει καλύτερες συνθήκες διαβίωσης στον υπό ανάπτυξη κόσμο χρησιμοποιήθηκε ως μέσω ελαχιστοποίησης του κόστους παραγωγής με ελεύθερες μεταβλητές τις συνθήκες οικονομικής και περιβαλλοντικής εξαθλίωσης. Μάλιστα, οι τελευταίες χρησιμοποιούνται και ως φόβητρο για την καταστολή επικείμενων αντιδράσεων του ανεπτυγμένου κόσμου στις κατά καιρούς προβαλλόμενες πολιτικές, οικονομικές και κοινωνικές στάσεις και στους ευρέως διαδεδομένους ενεργειακούς πολέμους. Αν μία τέτοια αντιμετώπιση της επερχόμενης κρίσης δεν δηλώνει έλλειψη στρατηγικού προγραμματισμού, τότε μήπως πρόκειται για ένα καλοσκηνοθετημένο σενάριο αποδυνάμωσης της κοινής γνώμης με στόχο την ταχεία λήψη αποφάσεων χωρίς ουσιαστικές αντιδράσεις; Αρχικά φορτίζουμε τον απλό πολίτη στοχεύοντας στην υλοποίηση των εκάστοτε οικονομικών στόχων και πολιτικών σχεδίων και στη συνέχεια του γνωστοποιούμε τα επερχόμενα προβλήματα για να τον τρομοκρατήσουμε και συνεπώς να τον κατευθύνουμε. Η αλήθεια είναι ότι ο ρυθμός εκμετάλλευσης των ενεργειακών αποθεμάτων και ο πεπερασμένος φυσικός και ορυκτός πλούτος του πλανήτη μας δεν επαρκούν για τους προβλεπόμενους ρυθμούς βιομηχανικής παραγωγής της επόμενης δεκαετίας. Συνεπώς, κάθε προσπάθεια για διατήρηση και εντατικοποίηση του υφιστάμενου παραγωγικού κύκλου θυμίζεί μία ακόμη σπασμωδική κίνηση που μεταθέτει χρονικά το πρόβλημα. Μόνη λύση είναι η αλλαγή πορείας προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η αναθεώρηση του παραγωγικού κύκλου με στόχο την αειφόρο και αέναη ανάπτυξη. Αναμφισβήτητα, ένα σενάριο παραγωγής υψηλής απόδοσης βασισμένης στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας προϋποθέτει συνεργατική πολιτική μεταξύ των εθνών τόσο σε κοινωνικό όσο σε οικονομικό επίπεδο. Στόχος είναι η εξισορρόπηση της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας των φυσικών πηγών ενέργειας και της ενεργειακής ζήτησης στα πλαίσια μίας ισχυρής παγκόσμιας οικονομικής πολιτικής. Στις αρχές του 21ου αιώνα η διαθέσιμη τεχνολογία κρίνεται πλέον επαρκής για την επίτευξη ενός τέτοιου σχεδίου, αλλά οι κυβερνήσεις και οι μεγάλοι οικονομικοί παράγοντες τρέμουν την πιθανή απώλεια εξουσίας και την ανακατανομή του πλούτου στα πλαίσια θέσπισης μίας διεθνούς συντεχνίας αειφόρου ανάπτυξης. Δυστυχώς, τα ορυκτά καύσιμα εκτός από την κινητήρια δύναμη για ανάπτυξη στις αρχές του 20ου αιώνα μας προίκισαν με την δίψα για πολιτική εξουσία, κοινωνική επικράτηση και οικονομική γιγάντωση. Έτσι, τα ημίμετρα καταστροφολογίας και κοινωνικής χειραγώγησης και η χρονική μετάθεση ενός επικείμενου ενεργειακού και οικονομικού αδιεξόδου προτιμώνται από μία συντονισμένη προσπάθεια αέναης ανάπτυξης. Είμαι βέβαιος ότι αυτή μας η απόφαση σύντομα θα αλλάξει, αλλά αμφιβάλω ότι ελλείψει χρόνου και ουσιαστικού σχεδιασμού η θέα μίας επερχόμενης ενεργειακής κρίσης θα εμπνεύσει στον οικονομικό κόσμο την δέουσα ψυχραιμία για ορθή αντιμετώπισή το προβλήματος. Μήπως τελικά οι επιλογές μας επισκιάζουν το μέλλον των παιδιών μας;
Α. Λαγγούσης, Κοινωνία και περιβάλλον υπό καθεστώς ανάπτυξης, ΤΑ ΝΕΑ, 31 July 2007.
Αγοράζουμε καινούργιο υπολογιστή με την δικαιολογία ότι είναι ταχύτερος αυτού που αγοράσαμε πέρυσι και αλλάζουμε κινητό τηλέφωνο για ένα που βγάζει καλύτερες φωτογραφίες. Μόνο το 2006, περί τα 700 εκ. κινητά τηλέφωνα βρέθηκαν στα σκουπίδια διότι οι χρήστες τους τα αντικατέστησαν με νέα προηγμένης τεχνολογίας. Ο κόσμος, ακόμα και ελλείψει χρημάτων, διατίθεται να αγοράσει το «καινούργιο» πετώντας το «παλιό», και ως διαφαίνεται, ο ρυθμός τεχνολογικής ανάπτυξης παρακολουθείται, αν όχι υπολείπεται, της δίψας για κάτι έστω και ελάχιστα διαφορετικό. Μήπως τελικά, οι σύγχρονες οικονομικές και τεχνολογικές εξελίξεις, εκτός από μείζον επίτευγμα της επιστημονικής κοινότητας, μπορούν να ενταχθούν και στις βάσεις των σύγχρονων κοινωνικο-οικονομικών και περιβαλλοντικών προβλημάτων; Χρησιμοποιήσαμε την δίψα του ανθρώπου για πρόοδο για να κατασκευάσουμε μία γιγαντιαία παραγωγική μηχανή, η οποία τρέφεται με πρώτες ύλες, παράγει τεράστιες ποσότητες ρύπων και έχει κύκλο λειτουργίας συνυφασμένο με το κοινωνικο-οικονομικό γίγνεσθαι. Το πρόβλημα τώρα ανάγεται στην διατήρηση αυτής της παραγωγικής μηχανής κάτω από οικονομικούς, κοινωνικούς και περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Η αγοραστική δύναμη του καταναλωτή αποτελεί τον πρώτο περιοριστικό παράγοντα. Δεν αρκεί κάποιος να θέλει αλλά και να μπορεί να αγοράσει. Έτσι, χωρίς να το καταλάβουμε, τα καταναλωτικά δάνεια, η πιστωτική κάρτα και γενικά ο «βίος επί πιστώσει» μπήκαν στη ζωή μας. Ο καταναλωτής δύναται να αγοράζει, χωρίς μέτρο, με το τίμημα ενός χρέους που συνεχώς μεγεθύνεται. Όμως, το ξεζούμισμα του αγοραστικού κοινού δεν επαρκεί για την διατήρηση του παραγωγικού γίγαντα. Η μείωση του κόστους παραγωγής και η εξασφάλιση υψηλού ποσοστού κέρδους υπό καθεστώς μειούμενων τιμών είναι οι νέοι στόχοι των μεγάλων βιομηχανιών. Εν ολίγοις, τώρα που τελειώσαμε με το άρμεγμα του καταναλωτή, ήρθε η ώρα να ασχοληθούμε με τον εργάτη και το περιβάλλον. Μάλιστα, για να μην μας βλέπουν, μετακομίσαμε την παραγωγική μηχανή μακριά από τον πολιτισμό εκεί που ο εργάτης δουλεύει για ένα πιάτο ρύζι και οι κυβερνήσεις θυσιάζουν τον φυσικό πλούτο στο βωμό μίας, χωρίς όρους, υποσχόμενης ανάπτυξης. Έτσι, οι σκληροί περιβαλλοντικοί νόμοι του πολιτισμένου κόσμου, όχι μόνο δεν μπόρεσαν να προστατεύσουν το περιβάλλον, αλλά έδωσαν το κίνητρο για ανάπτυξη της παραγωγικής διαδικασίας σε χώρες όπου η ρύπανση είναι οικονομικά συμφέρουσα. Δηλαδή, εκμεταλλευτήκαμε την δίψα του υποανάπτυκτου κόσμου για μία αξιοπρεπή διαβίωση με στόχο την παράκαμψη νόμων που εμείς οι ίδιοι κατασκευάσαμε για ένα καλύτερο αύριο. Τελικά όλα αυτά συνέβησαν κατά τύχη, ή μήπως ήταν ένα καλοσκηνοθετημένο σενάριο με στόχο την συγκάλυψη των προβλημάτων μίας οικονομίας που μεγεθύνεται προς όφελος του μεγάλου; Ο παραγωγικός κόσμος τρέμει την ανέχεια, ενώ ο πολιτισμένος κόσμος εργάζεται ασταμάτητα για την διατήρηση του καταναλωτικού του χρέους εντός ανεκτών όριων. Το μόνο που φαίνεται να αντιδρά είναι το περιβάλλον. Πολλοί ονομάζουν αυτήν την αντίδραση «κλιματική αλλαγή», ένας όρος που ακούγεται στα αυτιά μου αρκετά αισιόδοξος. Δυστυχώς, το κλίμα δεν μπορεί να αλλάξει, δεδομένου ότι συνεχώς μεταβάλλεται: Ο καιρός πέρυσι δεν ήταν ίδιος με τον καιρό φέτος και αυτό συνέβαινε και πριν από 2000 χρόνια. Όσοι λοιπόν ισχυρίζονται κλιματική αλλαγή, πρέπει πρώτα να εξηγήσουν πώς την ορίζουν στα πλαίσια ενός φυσικού συστήματος που συνεχώς μεταβάλλεται. Αυτό που εγώ βλέπω είναι μία αύξηση της αβεβαιότητας (εντροπίας) του συστήματος. Το κλίμα δεν άλλαξε αλλά μεταβάλλεται σε περισσότερες από μία χρονικές κλίμακες υπό συνθήκες αυξημένης αταξίας• κάτι παρόμοιο με το νερό που βράζει. Υπό σιγανή φωτιά ο κύκλος παραγωγής και καταστροφής των φυσαλίδων είναι αργός και η θέση μίας φυσαλίδας στην επιφάνεια σχετικά προβλέψιμη. Όταν η φωτιά δυναμώσει, η αταξία του συστήματος αυξάνει, οι φυσαλίδες αλληλεπιδρούν άτακτα και, καμία φορά, το νερό βγαίνει έξω από την κατσαρόλα. Το περιβάλλον δεν άλλαξε, η αλλιώς, το νερό συνεχίζει να βράζει στους 100οC. Αυτό που επιτύχαμε με τους υπερεντατικούς ρυθμούς τεχνολογικής ανάπτυξης, την ασύστολη κατανάλωση φυσικών πόρων, την θερμική ρύπανση, την αύξηση της συγκεντρώσεως του διοξειδίου του άνθρακα και πολλά άλλα, είναι να δυναμώσουμε την φωτιά κάτω από την κατσαρόλα, να επιταχύνουμε τους περιβαλλοντικούς μηχανισμούς και τελικά να αυξήσουμε την αβεβαιότητα του όλου συστήματος. Μάλιστα, το νερό έχει αρχίσει να βγαίνει έξω από την κατσαρόλα, δεδομένου ότι τα ακραία καιρικά φαινόμενα κάνουν την παρουσία τους όλο και πιο έντονη. Φέτος η Ελλάδα δεν έζησε χειμώνα, το καλοκαίρι στην αρχή δεν έλεγε να ζεστάνει και μετά είχαμε καύσωνα, στο Περού είχαμε νεκρούς από το κρύο, ενώ πλημμύρες ξέσπασαν στην Κολομβία, Αργεντινή, Άμστερνταμ, Κίνα και τώρα Γαλλία. Ο καιρός παρουσιάζει χωρική και χρονική μεταβλητότητα που υπερφαλαγγίζει τις κλιματικές ζώνες και την εποχιακή διακύμανση. Τι άλλο θέλουμε για να καταλάβουμε ότι η ξέφρενη ανάπτυξη εις βάρος του περιβάλλοντος και του ανθρώπου πρέπει να αποκτήσει επιτέλους ένα όριο;
A. Langousis, Extreme Rainfall Intensities and Long-term Rainfall Risk from Tropical Cyclones, PhD thesis, 107 pages, MIT, Boston, USA, 2008.
[Εντάσεις ακραίων βροχοπτώσεων και μακροπρόθεσμη διακινδύνεση από τροπικούς κυκλώνες ]
Στην παρούσα εργασία αναπτύσσουμε μία νέα μεθοδολογία εκτίμησης του ρυθμού εμφάνισης ακραίων γεγονότων βροχής από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές. Ένα βασικό στοιχείο της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας της τυχαίας μεταβλητής ID,max: της μέγιστης εντάσεως βροχής διάρκειας D στην θέση ενδιαφέροντος κατά το πέρας ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ. Η μακροπρόθεσμη επικινδυνότητα βροχοπτώσεων εκτιμάται συνδυάζοντας την συνάρτηση δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) με ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα. Η έλλειψη εκτενών δεδομένων βροχής από τροπικούς κυκλώνες και το πλήθος των παραμέτρων που απαιτούνται για τον χαρακτηρισμό της κινήσεως, του μεγέθους και της εντάσεως ενός κυκλώνα κάνουν την εκτίμηση της συνάρτησης δεσμευμένης πιθανότητας της μεταβλητής (ID,max|θ) αποκλειστικά από δεδομένα βροχής δύσκολη. Ως εκ τούτου, καταφύγαμε στον συνδυασμό ενός φυσικομαθηματικού προσομοιώματος για την εκτίμηση του μέσου πεδίου βροχής ενός τροπικού κυκλώνα με χαρακτηριστικά θ, και ενός στοχαστικού μοντέλου για τον συνυπολογισμό των διακυμάνσεων του πεδίου βροχής τόσο σε κλίμακα καταιγίδας όσο και σε μικρότερες χωρικές και χρονικές κλίμακες. Οι μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις προέρχονται από εντατικοποίηση του πεδίου βροχής από επαγωγικά φαινόμενα τοπικής κλίμακας (local convection) καθώς και από σπειροειδείς σχηματισμούς (rainbands) που οφείλονται στην μεγάλης κλίμακας ακτινική σύγκλιση. Το διάνυσμα των χαρακτηριστικών θ του τροπικού κυκλώνα συμπεριλαμβάνει την μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα του πεδίου ανέμων Vmax, την ακτινική απόσταση Rmax του μεγίστου από το κέντρο του κυκλώνα, την ταχύτητα Vt της καταιγίδας και την απόσταση y της παράκτιας θέσεως ενδιαφέροντος από το κέντρο του κυκλώνα. Το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του πεδίου βροχοπτώσεως από τροπικούς κυκλώνες είναι μία γενίκευση του μοντέλου Smith (1968) για το οριακό στρώμα τροπικών κυκλώνων η οποία συνδυάζεται με ένα απλό θερμοδυναμικό σχήμα για τον υπολογισμό της κατακόρυφης παροχής υδρατμών, οι οποίοι θεωρείται ότι μετατρέπονται πλήρως σε βροχή. Το εκτιμώμενο πεδίο βροχής δεν είναι ανάλογο της κατακόρυφης ροής υδρατμών για δύο λόγους: 1) η τροχιά των ανερχόμενων υδρατμών παρουσιάζει μία κλίση προς τη περιφέρεια, η οποία εξαρτάται από την ακτινική απόσταση ως προς το κέντρο του κυκλώνα και, 2) λόγω της κυκλωνικής κυκλοφορίας του αέρα, οι ανερχόμενοι υδρατμοί και οι κατερχόμενες σταγόνες βροχής ακολουθούν μία ελικοειδή κίνηση. Έτσι, η μάζα των υδρατμών που ανέρχεται από ένα σημείο του κυκλώνα συνεισφέρει βροχή σε ένα εύρος αζιμούθιων θέσεων. Το στοχαστικό κομμάτι της προτεινόμενης μεθοδολογίας εκτιμά την κατανομή της μεταβλητής (ID,max|θ) συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του φυσικομαθηματικού προσομοιώματος με δεδομένα βροχομετρικού ραντάρ (precipitation radar, PR) από την δορυφορική αποστολή TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Επιπρόσθετα, η υπόθεση Taylor χρησιμοποιείται για την μετατροπή των χωρικών διακυμάνσεων του πεδίου βροχοπτώσεως σε χρονικές διακυμάνσεις της εντάσεως βροχής σε μία θέση ενδιαφέροντος Α. Με στόχο την χρήση του μοντέλου για την μακροπρόθεσμη εκτίμηση επικινδυνότητας από βροχοπτώσεις, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο επαναφοράς των χαρακτηριστικών τροπικών κυκλώνων που κινούνται στην περιοχή του κόλπου του Μεξικού και προσπίπτουν στην ακτή εντός του γεωγραφικού εύρους 85ο-95οW. Στην συνέχεια, συγκρίναμε τις όμβριες καμπύλες που εκτιμώνται από την προτεινόμενη μεθοδολογία για την περιοχή της Νέας Ορλεάνης των Η.Π.Α. με αυτές που υπολογίζονται από χρονοσειρές ιστορικών δεδομένων βροχής. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν όλους τους τύπους καταιγίδων: τροπικούς κυκλώνες και μη. Συμπεραίνουμε ότι για περιόδους επαναφοράς μεγαλύτερες ή ίσες των 100 ετών και για μεγάλες διάρκειες βροχοπτώσεως (12-24 ώρες) η βροχόπτωση από τροπικούς κυκλώνες υπερισχύει έναντι άλλων τύπων καταιγίδων, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για μικρότερες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχοπτώσεως. Επίσης, προσδιορίζουμε το σενάριο τροπικού κυκλώνα με την μείζονα επιρροή στην μέγιστη παρατηρούμενη βροχόπτωση διάρκειας D με περίοδο επαναφοράς Τ. Αυτό το επιτυγχάνουμε με τον υπολογισμό της πιο πιθανής τιμής (modal value) των παραμέτρων Vmax, Rmax και Vt, δεδομένου ότι η μέγιστη βροχόπτωση διάρκειας D υπερβαίνει την ένταση με περίοδο επαναφοράς Τ. Η πιο πιθανή τιμή της ταχύτητας μεταγωγής Vt είναι φθίνουσα συνάρτηση της περιόδου επαναφοράς Τ. Αυτό είναι επακόλουθο του γεγονότος ότι πιο ισχυρές βροχοπτώσεις προκαλούνται από αργά κινούμενα καιρικά συστήματα. Η πιο πιθανή τιμή της ακτινικής αποστάσεως μεγίστου Rmax μειούται όταν οι παράμετροι D ή Τ αυξάνουν, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει για την παράμετρο Vmax. Η πιθανότερη τιμή της αποστάσεως y από το κέντρο του κυκλώνα είναι κοντά σε αυτήν της παραμέτρου Rmax: την περιοχή μεγίστης εντάσεως βροχής, όπως αυτή προσδιορίζεται από το φυσικομαθηματικό προσομοίωμα του μέσου πεδίου βροχής. Οι παραπάνω πιθανότερες τιμές των παραμέτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό του σεναρίου μέγιστης βροχοπτώσεως περιόδου επαναφοράς Τ από τροπικούς κυκλώνες σε παράκτιες περιοχές υδρολογικού ενδιαφέροντος.
A. Langousis, The Areal Reduction Factor - A Multifractal Analysis, MSc thesis, 117 pages, MIT, Boston, 2004.
[Ο συντελεστής επιφανειακής αναγωγής - Μια πολυ-μορφοκλασματική ανάλυση]
Ο συντελεστής απομείωσης επιφάνειας η αποτελεί μία σημαντική παράμετρο σχεδιασμού έναντι ακραίων υδρολογικών φαινομένων. Για μία λεκάνη απορροής με επιφάνεια A, ο συντελεστής απομείωσης επιφάνειας η(Α, D, T) ορίζεται ως ο λόγος της μέσης επιφανειακής βροχοπτώσεως διάρκειας D με περίοδο επαναφοράς Τ και της μέσης σημειακής βροχοπτώσεως για τις ίδιες τιμές των παραμέτρων D και Τ. Εκτός από τις παραμέτρους A, D και Τ, ο συντελεστής απομείωσης επιφάνειας η εξαρτάται από το σχήμα της λεκάνης απορροής και από πλήθος εποχιακών, κλιματικών και τοπογραφικών χαρακτηριστικών. Ένας επιπρόσθετος παράγοντας που επηρεάζει τον εν λόγω συντελεστή είναι η ταχύτητα μεταγωγής vad της καταιγίδας. Τα διαγράμματα και οι σχέσεις υπολογισμού που απαντώνται στην βιβλιογραφία για την εκτίμηση του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας, βασίζονται στην προσαρμογή ομαλών θεωρητικών καμπύλων σε εμπειρικές τιμές αυτού οι οποίες έχουν εξαχθεί βάσει δεδομένων από δίκτυα βροχογράφων. Στην παρούσα εργασία μελετούμε τις ιδιότητες του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας με την παραδοχή ότι η χωροχρονική βροχόπτωση παρουσιάζει ακριβή ή κατά προσέγγιση πολυμορφοκλασματική (multifractal) ομοιοθετική συμπεριφορά. Η μελέτη πραγματοποιείται για τις δύο υποπεριπτώσεις vad = 0 και vad ≠ 0. Στην περίπτωση που vad = 0, η βασική παράμετρος για την πραγματοποιούμενη ανάλυση είναι ο λόγος ures= vres/ve, μεταξύ της “ταχύτητας απόκρισης” της λεκάνης απορροής vres = L/D, όπου L είναι η μέγιστη γραμμική διάσταση της λεκάνης, και της “ταχύτητας εξελίξεως” του φαινομένου της καταιγίδας ve = Le/De, όπου Le και De είναι αντίστοιχα η μέγιστη γραμμική διάσταση και ο χρόνος ζωής των διακριτών στοιχείων της καταιγίδας. Η επιρροή της ταχύτητας μεταγωγής vad ≠ 0 στον συντελεστή απομείωσης επιφάνειας η εξαρτάται από την γεωμετρία της λεκάνης απορροής. Στην περίπτωση επιμηκών λεκανών, ο συντελεστής η εξαρτάται τόσο από την διεύθυνση όσο και από το μέτρο της ταχύτητας μεταγωγής της καταιγίδας, ενώ στην περίπτωση κατά προσέγγιση συμμετρικών λεκανών μόνο το μέτρο της ταχύτητας μεταγωγής vad έχει σημαντική επιρροή. Μελετούμε τρόπους σύμφωνα με τους οποίους η βροχόπτωση δύναται να αποκλίνει από την πολυμορφοκλασματική ομοιοθετική συμπεριφορά, καθώς και μοντέλα που μπορούν να λάβουν υπ’ όψιν αυτού του τύπου τις αποκλίσεις. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι η περιορισμένου τύπου διακριτή στοχαστική αναπαράσταση κλίμακας (bounded cascade model) των Menabde και Sivapalan (2000). Πιο συγκεκριμένα, μελετούμε τις ιδιότητες του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας με την παραδοχή ότι το πεδίο βροχόπτωσης έχει ιδιότητες πολλαπλασιαστικού στοχαστικού μοντέλου περιορισμένου τύπου. Επίσης, μελετούμε την μεροληψία εκτιμήσεως του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας από δίκτυα βροχογράφων χαμηλής πυκνότητας. Αποδεικνύουμε ότι ο περιορισμός της μεταβλητότητας του στοχαστικού πεδίου, ο οποίος αποτελεί μία από τις αποκλίσεις από την πολυκλασματική ομοιοθεσία, διαταράσσει τις καμπύλες απομείωσης επιφάνειας κατά τρόπο παρόμοιο με τις χαμηλής επιφανειακής πυκνότητας σημειακές μετρήσεις του πεδίου βροχής. Τέλος, αποδεικνύουμε ότι είναι δυνατή η αναπαραγωγή των χαρακτηριστικών των καμπύλων του συντελεστή απομείωσης επιφάνειας που έχουν εξαχθεί από εμπειρικά δεδομένα βροχής, με χρήση ενός συνδυασμού ακριβών (multifractal) και περιορισμένων (bounded) διακριτών πολλαπλασιαστικών μοντέλων και λαμβάνοντας υπ’ όψιν την μεροληψία εκτιμήσεως του εν λόγω συντελεστή από χαμηλής πυκνότητας δίκτυα βροχογράφων.
Α. Λαγγούσης, Ανάπτυξη κυκλοστάσιμων στοχαστικών υδρολογικών μοντέλων με διατήρηση της βραχυπρόθεσμης μνήμης και της μακροπρόθεσμης εμμονής, Διπλωματική εργασία, 327 pages, Τομέας Υδατικών Πόρων, Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ιούλιος 2003.
Κατά την παραγωγή συνθετικών υδρολογικών χρονοσειρών σε εποχιακή κλίμακα είναι σημαντικό να εξασφαλίζεται η διατήρηση των εποχιακών στατιστικών χαρακτηριστικών και της βραχυπρόθεσμης μνήμης της μελετούμενης στοχαστικής ανελίξεως. Εξίσου όμως σημαντική, κρίνεται η αναπαραγωγή τόσο των στατιστικών χαρακτηριστικών της ετήσιας ιστορικής χρονοσειράς όσο και της συμπεριφοράς αυτής σε μεγαλύτερες του έτους χρονικές κλίμακες. Η εν λόγω υπερετήσια συμπεριφορά, γνωστή και ως "φαινόμενο Hurst", έχει εντοπιστεί σε μεγάλο αριθμό υδρολογικών και κλιματολογικών χρονοσειρών και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τόσο τον προγραμματισμό όσο και τον σχεδιασμό των υδροσυστημάτων. Στην περίπτωση που γίνεται χρήση μοντέλων εποχιακής κλίμακας, η διατήρηση των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών του ιστορικού δείγματος και της συμπεριφοράς αυτού σε υπερετήσια κλίμακα είναι μία ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία και τις περισσότερες φορές αγνοείται. Οι τεχνικές επιμερισμού αποτελούν τον μόνο τρόπο για την παραγωγή συνθετικών χρονοσειρών που είναι συμβατές με το ιστορικό δείγμα σε περισσότερες από μία χρονικές κλίμακες ενδιαφέροντος, όπως είναι η ετήσια και η εποχιακή. Οι εν λόγω τεχνικές υλοποιούνται σε δύο ή περισσότερα βήματα, όπου στο πρώτο βήμα παράγονται ετήσιες χρονοσειρές που διαδοχικά επιμερίζονται σε μικρότερες του έτους χρονικές κλίμακες. Ο επιμερισμός, όμως, παρουσιάζει κάποια προβλήματα (π.χ. εκτίμηση παραμέτρων), ανακρίβειες και γενικά είναι μία αργή διαδικασία.
Εναλλακτικά προτείνεται μία νέα μεθοδολογία, βάσει της οποίας η αναπαραγωγή των στατιστικών χαρακτηριστικών γίνεται σε μηνιαία κλίμακα, χωρίς χρήση τεχνικών επιμερισμού, και κατά τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ταυτόχρονη διατήρηση τόσο των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών όσο και της υπερετήσιας συμπεριφοράς της ιστορικής χρονοσειράς, με άμεσο αποτέλεσμα την αξιόπιστη αναπαραγωγή του φαινομένου Hurst.
Πλήρες κείμενο: