Κλιματική αλλαγή, δυναμική Hurst- Kolmogorov και αβεβαιότητα

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο ΔΠΜΣ Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων Για το μάθημα «Διαχείριση Υδατικών Πόρων» Κλιματική αλλαγή, δυναμική Hurst- Kolmogorov και αβεβαιότητα Μαρία Καραναστάση Γεωργία Παπαχαραλάμπους Απρ 2015

2 Διάρθρωση Κλίμα Κλιματική αλλαγή Πρόβλεψη και κλιματικά μοντέλα Στοχαστική προσομοίωση Δυναμική Hurst - Kolmogorov

3 Κλίμα Είναι η σύνθεση των στοιχείων του καιρού για ένα μακρύ χρονικό διάστημα. Ετυμολογικά ο όρος προέρχεται από την λέξη «κλίνω» και σχετίζεται με την κλίση των ακτίνων του ηλίου.

4 Κλιματική αλλαγή

5 Κλιματική αλλαγή Πρόκειται για επιστημονικά αδόκιμο όρο. Η χρήση του όρου ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ βασίζεται και οδηγεί στην λανθασμένη θεώρηση ότι το κλίμα μιας περιοχής υπό φυσιολογικές συνθήκες παραμένει αμετάβλητο με το πέρασμα του χρόνου. Δεδομένου ότι το κλίμα ήταν ανέκαθεν μεταβαλλόμενο σωστός είναι ο όρος κλιματική μεταβολή. Σημαίνει την συστηματική διαφοροποίηση των μεταβλητών του κλίματος οφειλόμενη σε ανθρωπογενή αίτια.

6 Κλιματική αλλαγή Η θεωρία βασίζεται στην αδιαμφισβήτητη αύξηση της συγκέντρωσης συγκεκριμένων αερίων (CO 2, N 2 O, CH 4, CF 2 Cl 2 ) στην ατμόσφαιρα. Η αύξηση αυτή θεωρείται ότι εντείνει και μάλιστα σημαντικά το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Από τα τέλη της δεκαετίας του 80 ντετερμινιστικά μοντέλα γενικής κυκλοφορίας προβλέπουν ολοένα και υψηλότερες θερμοκρασίες.

7 Κλιματική αλλαγή ΣΥΝΗΓΟΡΟΥΝ ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Λιώσιμο των πάγων Αύξηση της μέσης στάθμης της θάλασσας

8 Θερμοκρασία Μεταβολή θερμοκρασίας κατά την τριακονταετία (Koutsoyiannis et al., 2009)

9 Θερμοκρασία Μεταβολή θερμοκρασίας κατά τα τελευταία χρόνια (Koutsoyiannis et al., 2009) Μεταβολή θερμοκρασίας κατά τα τελευταία χρόνια (Koutsoyiannis et al., 2009)

10 Κλίμακα παρατήρησης (Μαμάσης, 2011)

11 Global cooling vs global warming

12 Έκταση πάγων Πηγή: UHA

13 Μέση στάθμη θάλασσας Πηγή: Μαμάσης Ν. (2011)

14 Μέση στάθμη θάλασσας Πηγή: UHA

15

16 Πρόβλεψη και κλιματικά μοντέλα Οι Koutsoyiannis et al. (2008) σύγκριναν παλαιές προγνώσεις από τρία κλιματικά μοντέλα του IPCC AR4 και τρία του TAR σε οκτώ θέσεις που είχαν μεγάλο δείγμα παρατηρήσεων (> 100 έτη) θερμοκρασίας και βροχόπτωσης. Τα εξαγόμενα των μοντέλων ήταν ασύμφωνα με τις παρατηρήσεις. Τα μοντέλα αποτυγχάνουν γιατί στηρίζονται σε ντετερμινιστικές μεθόδους

17 Αβεβαιότητα και αντιμετώπιση Υπάρχουν συστήματα, που ακόμα και αν είναι καλώς ορισμένοι οι νόμοι εξέλιξης τους, παρουσιάζουν ευαίσθητη εξάρτηση από τις αρχικές συνθήκες με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη δυναμικά συστήματα & χάος Αδυναμία ντετερμινιστικής μακροπρόθεσμης πρόβλεψης και ανάγκη ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας Προσομοίωση του συστήματος με συνθετικά δεδομένα εισόδου που παράγονται με τυχαίο τρόπο, συνεπή ως προς τη πραγματικότητα δείγµα εφικτών αποκρίσεων του συστήµατος στατιστική περιγραφή των αποκρίσεων (Στοχαστική προσομοίωση ή μέθοδος Monte Carlo)

18 Παραγωγή στοχαστικών χρονοσειρών: στασιμότητα και μη στασιμότητα Στάσιμες χρονικές ανελίξεις Οι στατιστικές μεταβλητές είναι ανεξάρτητες μιας μετατόπισης της αρχής (στενή έννοια) ή μόνο η μέση τιμή είναι ανεξάρτηση και η αυτοσυσχέτιση είναι συνάρτηση του χρόνου (ευρεία έννοια). Μη στάσιμες χρονικές ανελίξεις Οι στατιστικές μεταβλητές είναι αιτιοκρατικές συναρτήσεις του χρόνου Μειώνουν την αβεβαιότητα αλλά είναι εφικτές? Η στασιμότητα ή μη έχουν να κάνουν με τη στοχαστική διαδικασία και όχι με τη χρονοσειρά - εκεί η αλλαγή είναι δομική ιδιότητα: παρανόηση «κλιματικής αλλαγής» Στάσιμες στοχαστικές ανελίξεις γεωφυσικών διεργασιών (Koutsoyiannis, 2011)

19 Εμμονή γεωφυσικών διεργασιών Ετήσια ελάχιστη στάθμη του Νείλου (ενδείξεις Νειλόμετρου) - Ομαδοποίηση γεγονότων - Πιο έντονες ακραίες τιμές εμμονή Συνθετική χρονοσειρά όπου κάθε τιμή είναι το ελάχιστο 36 αποτελεσμάτων της ρουλέτας (Koutsoyiannis, 2011)

20 Εμμονή γεωφυσικών διεργασιών Αυτοσυσχέτιση: συσχέτιση μεταξύ των στοιχείων της χρονοσειράς Στο παράδειγμα της ρουλέτας: μηδενική αυτοσυσχέτιση Διάγραμμα αυτοσυσχέτισης για μία χρονοσειρά γεωφυσικής διεργασίας (Koutsoyiannis, 2011)

21 Δυναμική Hurst-Kolmogorov Στοχαστική προσομοίωση λαμβάνοντας υπόψη την εμμονή των γεωφυσικών διεργασιών Δυναμική Hurst - Kolmogorov Hurst (1951) διαπίστωσε την εμμονή από παρατηρήσεις του Νείλου Kolmogorov (1940) μαθηματικό μοντέλο Συντελεστής Hurst (H) : μέτρο της αυτοσυσχέτισης της χρονοσειράς, εισάγεται στη μαθηματική διαδικασία για να την εκφράσει Μπορεί να εφαρμοστεί και σε μη στάσιμες στοχαστικές ανελίξεις, όταν η προσέγγιση δικαιολογείται Στοχαστική πρόγνωση μετεωρολογικών φαινομένων

22 Βιβλιογραφία Ευστρατιάδης, Α., Καραβοκυρός, Γ., Κουτσογιάννης.,( 2007) Θεωρητική τεκµηρίωση µοντέλου προσοµοίωσης και βελτιστοποίησης της διαχείρισης υδατικών συστηµάτων «Υ ΡΟΝΟΜΕΑΣ». Μαμάσης Ν.,(2011) «Κλίμα και Κλιματική Αλλαγή, Σημειώσεις», Κουγιουμτζής, Δ., (2011) «Σημειώσεις ανάλυσης δεδομένων», ΑΠΘ, Kουτσογιάννης, Δ., Σημειώσεις Διαχείρισης Υδατικών Πόρων - Μέρος 1, (2007) Τομέας Υδατικών Πόρων, Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων ΕΜΠ Koutsoyiannis, D., Efstratiadis, A., Mamassis, N. & Christofides, A., (2008). On the credibility of climate predictions. Journal des Sciences Hydrologiques, 53(4), Koutsoyiannis, D., (2011) Hurst-Kolmogorov Dynamics and Uncertainty. Journal of the American Water Resources Association, 47(3), Koutsoyiannis D., Montanari A., Lins H. F., Cohn T. A., Climate, hydrology and freshwater: towards an interactive incorporation of hydrological experience into climate research, Hydrological Sciences Journal, 54 (2), , 2009 UAH (University of Alabama in Hutsville)

23 Ευχαριστούμε για την προσοχή σας.