Stochastic investigation of large-scale hydroclimatic correlations over the Mediterranean

Abstract

During the last 20 years the interest in climatic change has grown due to the hypothesis of anthropogenic global warming. Since climate is associated with some major human activities such as water resources management and therefore crop production, serious concerns have been raised regarding the magnitude of change in the global climatic system and its consequences. The estimation of climatic variability came to the spotlight and with it also came the science of Paleoclimatology, which led to ample progress in the presentation of past climates. Earlier in the 20th century, in another scientific field, Hydrology, the probabilistic approach earned significant ground in modeling natural processes. These stochastic methods can be now utilized to paleoclimatic records in order to give us some insight of the natural climatic variability. This doctoral thesis makes a few steps towards this direction. It examines whether the Hurst-Kolmogorov stochastic framework, known also as long-term persistence or long range dependence, can be implemented to hydroclimatic modelling. The analysis covers different temporal and spatial scales, ranging from daily to 109 years in time and from 105 m to the whole planet in space. It also explores the effect of deterministic components, such as the long-term changes in Earth’s orbit and the atmospheric teleconnection patterns, to the hydroclimatic variability. Moving to smaller spatial scales the stochastic framework was used to determine the statistical significance of rainfall variability over Greece, where some earlier alarming studies suggested substantial annual decrease. Finally, the climate of Crete was reconstructed and the links between climate and society were investigated in a Mediterranean island with a long history of hydraulic works.The major conclusion of this study is that the Hurst-Kolmogorov behaviour is evident both in temperature and precipitation. Its implications stem from the fact that natural variability is far more enhanced than assumed so far in the majority of climate studies. Thus, there is some strong evidence that the recent global temperature change lies within the limits of natural climatic fluctuations. In the same concept, there is not anything irregular in the decrease of rainfall over Greece. Moreover, it was found that the dependence structure of precipitation is varying with scale, suggesting two rather different behaviours; one for below-decedal and one for larger scales. Finally, it was shown that extreme or changing climate might amplify or hinder societal change, but this influence is minor compared to the dynamics of the internal social self-organisation.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 20 ετών το παγκόσμιο ενδιαφέρον για την κλιματική αλλαγή έχει ενταθεί εξαιτίας της θεωρίας της ανθρωπογενούς υπερθέρμανσης του πλανήτη. Δεδομένου ότι το κλίμα συνδέεται με αρκετές ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως την διαχείριση των υδατικών πόρων και επομένως και την γεωργική παραγωγή, έχουν εγερθεί σοβαρές ανησυχίες σχετικά με το μέγεθος της αλλαγής στο παγκόσμιο κλιματικό σύστημα καθώς και τις συνέπειές της. Έτσι, ήρθε στο προσκήνιο η προσπάθεια εκτίμησης της κλιματικής μεταβλητότητας, η οποία συνοδεύτηκε από σημαντικές προόδους στην επιστήμη της παλαιοκλιματολογίας. Νωρίτερα, τον 20ο αιώνα, σε ένα άλλο επιστημονικό πεδίο, την υδρολογία, η πιθανοτική-στοχαστική προσέγγιση στη μοντελοποίηση των φυσικών διεργασιών είχε κερδίσει σημαντικό έδαφος. Σήμερα, οι στοχαστικές μέθοδοι μπορούν να εφαρμοσθούν στις παλαιοκλιματικές χρονοσειρές, προκειμένου να μας διαφωτίσουν για το εύρος της φυσικής κλιματικής μεταβλητότητας.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να κάνει μερικά βήματα προς αυτή την κατεύθυνση. Εξετάζει αν το στοχαστικό πλαίσιο Hurst-Kolmogorov, γνωστό και ως μακροπρόθεσμη εμμονή, μπορεί να εφαρμοστεί στην μοντελοποίηση υδροκλιματικών μεταβλητών. Η ανάλυση καλύπτει χρονικές και χωρικές κλίμακες, οι οποίες κυμαίνονται από την ημερήσια μέχρι και 108 έτη στο χρόνο και από 100 km μέχρι το σύνολο του πλανήτη στο χώρο. Επίσης, διερευνά την επίδραση των πιθανών αιτιοκρατικών συνιστωσών, όπως για παράδειγμα οι μακροπρόθεσμες αλλαγές στην τροχιά της Γης ή οι συσχετίσεις μακροκλίμακας (tele-connections), στον προσδιορισμό των υδροκλιματικών διακυμάνσεων. Προχωρώντας σε μικρότερες χωρικές κλίμακες, το στοχαστικό πλαίσιο χρησιμοποιήθηκε στον προσδιορισμό της στατιστικής σημαντικότητας στη μεταβολή της βροχόπτωσης στον Ελλαδικό χώρο, όπου προγενέστερες μελέτες υποδείκνυαν σημαντική ετήσια μείωση. Τέλος, με τη χρήση παλαιοκλιματικών δεδομένων ανακατασκευάστηκε το κλίμα της Κρήτης και διερευνήθηκαν οι σχέσεις μεταξύ του κλίματος και της κοινωνίας σε ένα νησί με μακρά ιστορική παράδοση υδραυλικών έργων.Το βασικό συμπέρασμα της παρούσας μελέτης είναι η παρουσία της συμπεριφοράς Hurst-Kolmogorov τόσο στη θερμοκρασία όσο και στην κατακρήμνιση. Οι επιπτώσεις αυτής της διαπίστωσης πηγάζουν από το γεγονός ότι η φυσική μεταβλητότητα είναι πολύ πιο ενισχυμένη από ότι θεωρείται στην πλειονότητα των σχετικών μελετών. Έτσι, υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι η πρόσφατη μεταβολή στην παγκόσμια θερμοκρασία βρίσκεται εντός των ορίων των φυσικών κλιματικών διακυμάνσεων. Για τους ίδιους λόγους, δεν παρατηρείται κάτι ιδιαιτέρως ασυνήθιστο στη παρατηρούμενη μείωση της ετήσιας βροχόπτωσης στην Ελλάδα. Επιπλέον, βρέθηκε ότι η δομή της βροχόπτωσης μεταβάλλεται αναλόγως της κλίμακας, παρουσιάζοντας δύο σημαντικά διαφορετικές συμπεριφορές: μία για κλίμακες μικρότερες της δεκαετίας και μία για μεγαλύτερες. Τέλος, δείχθηκε ότι η ακραία αλλαγή του κλίματος μπορεί να ενισχύσει ή να παρεμποδίσει κοινωνικές διεργασίες, αλλά η συμβολή της είναι σχετικά μικρή συγκρινόμενη με την εσωτερική δυναμική της κοινωνικής αυτορρύθμισης.