Μελέτη μοντελοποίηση και πρόβλεψη ακραίων κλιματικών παραμέτρων στη Λεκάνη της Μεσογείου

Abstract

The increasing trend of the frequency and intensity of temperature and precipitation extremes during the recent decades has substantial environmental and socioeconomic impacts. Thus, the objective of the present dissertation is to study, model and predict extreme temperature and precipitation episodes in the Mediterranean area. This is firstly achieved with the comparison of several mathematical distributions, in order to identify the most appropriate for the description of extreme precipitation, and high and low temperature episodes in Mediterranean. The selection of the distribution that can satisfactorily fit extreme events was made after a sequence of statistical tests. Additionally, as the method that is used for the calculation of the critical parameters of a distribution is an important factor for the results, three methods have been tested in order to select the most appropriate (MLE, L-moments, Bayesian). The results showed that, the GPD can characterize accurately both precipitation and temperature extremes while the GEV distribution with the Bayesian method is also appropriate especially for the greatest values. Additionally, the present dissertation, introduces, evaluates and uses a new statistical method, namely TIN-Copula method which is a combination of triangular irregular networks and copulas. The new method is proposed for the bias correction of regional climate models’ projections for extreme climate events, as well as for the simulation of extreme maximum and minimum temperatures and precipitations at areas with no available data. The concept of the TIN-Copula method starts with the division of the studied area in non-overlapping irregular triangles which are shaped using the location of the available stations. After that, using copulas, the extreme values of an unknown point included in a triangle are bias corrected or estimated. In the calculations, also the distances between the unknown point and the triangle vertices are taken into account. Finally, the evaluation of the new method proved that the ΤΙΝ-Copula is a really useful tool, both for bias correction and estimation of extreme climate episodes in Mediterranean area.

Τις τελευταίες δεκαετίες, τόσο η ένταση όσο και η συχνότητα των ακραίων κλιματικών επεισοδίων έχει αυξηθεί δραματικά, προκαλώντας σοβαρότατα προβλήματα σε κοινωνικό, περιβαλλοντικό και οικονομικό επίπεδο. Συνεπώς, σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη, η μοντελοποίηση και η πρόβλεψη της συμπεριφοράς των ακραίων επεισοδίων θερμοκρασίας και βροχόπτωσης στην περιοχή της Μεσογείου. Ο σκοπός αυτός επιτυγχάνεται αρχικά με τη μελέτη διαφόρων στατιστικών κατανομών, με στόχο την εύρεση αυτής που μπορεί να περιγράψει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη συμπεριφορά των ακραίων κλιματικών επεισοδίων. Για την τελική επιλογή τόσο της καταλληλότερης κατανομής όσο και της καταλληλότερης μεθόδου υπολογισμού των παραμέτρων της, ακολουθήθηκε μία σειρά στατιστικών ελέγχων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η GPD κατανομή είναι η καταλληλότερη για την περιγραφή τόσο των ακραίων θερμοκρασιών όσο και βροχοπτώσεων στην περιοχή μελέτης. Επιπρόσθετα, και η GEV κατανομή είναι κατάλληλη για την προσέγγιση των υψηλότερων τιμών των ακραίων, όταν οι κρίσιμες παράμετροι της υπολογίζονται με την Bayesian μέθοδο. Για τη μοντελοποίηση και την πρόβλεψη των ακραίων αναπτύχθηκε μια καινοτόμος στατιστική μέθοδος, η TIN-Copula. Η νέα μέθοδος, συνδυάζει τη θεωρίας των τριγωνικών ακανόνιστων δικτύων και των συζεύξεων. Η νέα μέθοδος παρουσιάζεται, αξιολογείται και προτείνεται για τη διόρθωση των σφαλμάτων μεροληψίας των κλιματικών μοντέλων σχετικά με την εκτίμηση των ακραίων τιμών, αλλά και για την εκτίμηση των χρονοσειρών των ακραίων θερμοκρασιών και βροχοπτώσεων σε περιοχές όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα. Σύμφωνα με την νέα μέθοδο, η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε ακανόνιστα μη αλληλεπικαλυπτόμενα τρίγωνα, ο σχηματισμός των οποίων γίνεται με τη χρήση των διαθέσιμων σταθμών. Με τη χρήση της θεωρίας των συζεύξεων πραγματοποιείται η διόρθωση ή η εκτίμηση των ακραίων τιμών θερμοκρασίας ή βροχόπτωσης για οποιοδήποτε σημείο εμπεριέχεται στα σχηματιζόμενα τρίγωνα. Στον τελικό υπολογισμό λαμβάνεται υπόψη και η απόσταση του σημείου από τις κορυφές του εκάστοτε τριγώνου. Τα αποτελέσματα της διατριβής, αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος αποτελεί ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη, τη μοντελοποίηση και την πρόβλεψη των ακραίων κλιματικών επεισοδίων.