Where does the link between atmospheric moisture transport and extreme precipitation matter?

Financiado para publicación en acceso aberto: Universidade de Vigo/CISUGAtmospheric moisture transport is the primary component of the atmospheric branch of the water cycle, and its anomalies strongly influence drought and precipitation extremes. We utilised the full geographical and temporal spectrum of the ERA-5 reanalysis data and extreme value theory to identify regions where the atmospheric moisture transport, quantified as local integrated moisture vertical transport (IVT), influences daily extreme precipitation, and where this influence has a relevant dynamic component, which may alter the dependency between IVT and extreme precipitation as temperatures increase with climate change. We showed that this dependency is weak or negligible in tropical regions and strong but nonuniform in extratropical regions. Its influence is much greater in areas where the main moisture transport mechanisms occur, namely, atmospheric rivers, low-level jets, and tropical cyclones. The dynamic component of IVT, linked to wind, is highly consequential in regions with landfalling atmospheric rivers, landfalling tropical cyclones, or moisture-transporting low-level jets.Agencia Estatal de Investigación | Ref. PID2021-122314OB-I00Xunta de Galicia | Ref. ED431C 2021/4

Combinations of drivers that most favor the occurrence of daily precipitation extremes

Previous studies indicate atmospheric instability, total column water vapor, and horizontal moisture transport as major drivers of precipitation extremes, however little is known about how the combination of these drivers affects precipitation extremes across the world. Here, using daily data from the ERA-5 reanalysis spanning the period 1981–2020, we identified the combinations of extreme values for these three major drivers that enhance the probability of daily precipitation extremes on a global scale. Our findings show that extreme daily precipitation is practically impossible without any of these drivers being extreme. Atmospheric instability is the primary driver of precipitation extremes, meaning that, among the three cases of the drivers being extreme in isolation, extreme atmospheric instability is associated with the highest average probability of extreme precipitation over landmasses (29% during December–February, 32% during June–August). When considering the combination of two drivers being simultaneously extreme, joint extremes of atmospheric instability and total column water vapor (and non-extreme horizontal moisture transport) lead to the highest probability of extreme precipitation (69% during December–February, 70% during June–August), which is similar to the probability under three drivers in extreme conditions (67% and 72%). Our results point to a latitudinal variation of the combination that leads to the highest probability of extreme precipitation. In subtropics, the case of the three extreme drivers dominates, whereas in extratropical regions, the dominant combination is that of the joint extremes of atmospheric instability and total column water vapor (and non-extreme horizontal moisture transport). By providing information on the most important drivers of precipitation extremes worldwide, these results can serve as a basis for evaluating precipitation extremes in climate models and understanding projected changes, which is vital for developing robust risk assessments.Agencia Estatal de Investigación | Ref. PID2021-122314OB-I00Xunta de Galicia | Ref. ED431C 2021/44Universidade de Vigo/CISU

Univariate and bivariate extremes in meteorology: an application to the Great Plains Low-Level Jet System

Tese de mestrado em Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021Nesta tese, colocamo-nos no contexto do sistema do Great Plains Low-Level Jet (GPLLJ), que é um sistema de ventos muito fortes na troposfera inferior que transporta uma enorme quantidade de humidade do Golfo do México para as Grandes Planícies Americanas e está principalmente activo nos meses de Verão. Este trabalho tem dois objectivos: primeiro, analisar o comportamento extremo da humidade transportada da região de origem do GPLLJ para o domínio do jet; segundo, nos casos de humidade transportada baixa e alta, estudar a dependência global e extrema entre a cauda superior da precipitação na região do sumidouro do GPLLJ e a cauda inferior da estabilidade troposférica na região do sumidouro do GPLLJ (ómega). Para este efeito, são utilizadas as séries de observações diárias de humidade transportada, precipitação e "ómega" de todos os períodos de Junho-Julho-Agosto de 1980 a 2017, o que corresponde a 3496 observações. As observações de precipitação e "ómega" foram separadas em dois grupos consoante os valores observados de humidade transportada. Um valor de humidade transportada é considerado baixo, se for inferior ao correspondente quantil empírico de probabilidade 0.25 e alto, se exceder o quantil de probabilidade 0.75 dessa variável. No que diz respeito à parte teórica desta dissertação, em primeiro lugar são apresentados os conceitos fundamentais da Teoria Univariada de Valores Extremos. É relevante salientar a importância dos modelos de limiar, que são essenciais para ambos os objectivos da tese: realizar a análise univariada dos extremos de humidade transportada e como passo prévio necessário ao estudo dos extremos bivariados. A seguir, é possível encontrar alguns dos tópicos-chave da Teoria Bivariada de Valores Extremos, que foi utilizada para abordar a abordagem de extremos que constitui o segundo objectivo desta tese. São apresentadas as noções probabilísticas fundamentais e alguns dos modelos paramétricos mais importantes dos extremos bivariados, para além da metodologia estatística mais comum neste contexto. Particularmente importante é o método de verosimilhança censurada, que é utilizado para ajustar o Modelo de Limiar Bivariado de Excessos na modelação dos dados. Também é abordado o conceito de independência assintótica, que é uma situação que deve ser analisada quando se utiliza a metodologia apresentada nesta tese. A fim de obter uma imagem global da estrutura de dependência no contexto do segundo objectivo deste trabalho são utilizadas cópulas. É apresentado um resumo dos aspectos mais importantes da Teoria de Cópulas, tanto do ponto de vista probabilístico como do ponto de vista estatístico. Nomeadamente, introduzimos o conceito de copula, alguns dos modelos de cópulas mais comuns e apresentamos diferentes métodos de estimação (embora o foco seja a abordagem semi-paramétrica, que é usada na parte prática da tese), bem como algumas breves considerações sobre a selecção de modelos e testes de ajustamento das cópulas. Posteriormente, são apresentados o procedimento e os resultados relativamente à análise univariada de extremos de humidade transportada. Depois de realizar uma breve análise exploratória a fim de compreender melhor a série em estudo, são utilizados modelos de limiar para estudar o comportamento dos valores extremos dessa série. Utiliza-se a abordagem conhecida como Peaks Over Threshold (POT), traduzido para português como “Picos acima do limiar”. Através de dois dos métodos mais habituais de selecção de limiares, é decidido que u = 2 (mm/dia) é um limiar adequado. Como é claramente visível que os excessos em relação ao limiar escolhido não são independentes, é feito um processo de declustering (usando o método de "run-declustering") a fim de eliminar o mais possível essa dependência. O declustering foi realizado considerando quatro valores diferentes de run length (r), nomeadamente 1,2,3 e 4. Graficamente e por testes estatísticos, chegamos à conclusão de que o modelo exponencial é mais apropriado do que o modelo de Pareto Generalizado (GPD, pelo seu acrónimo em inglês) para modelar os máximos de clusters de excessos acima do limiar escolhido, para todos os valores de r considerados. Além disso, prova-se que no caso de r = 4 o modelo exponencial não estacionário é mais adequado do que o estacionário, no sentido em que se demonstra que o parâmetro de escala do modelo exponencial decresce com o tempo. Por esta razão e porque é o valor que garante melhor a independência entre os excessos, conclui-se que r = 4 é a melhor escolha. Também são calculados os níveis de retorno estimados de 38 anos, 50 anos e 100 anos para a série de humidade transportada utilizando o modelo exponencial não estacionário ajustado aos máximos dos clusters de excessos. É interessante referir que nesta abordagem o período "um ano" corresponde a "um verão" (meses de Junho, Julho e Agosto). Os resultados desses cálculos mostram que os três níveis de retorno estimados foram diminuindo com o tempo e que a diferença entre eles se tornou menor. Por conseguinte, é possível dizer que esperamos observar valores extremos mais baixos de humidade transportada no futuro. Por outro lado, são analisados os extremos bivariados de (-ómega,precipitação) nos casos de humidade transportada baixa e alta. Note-se que o sinal de "ómega" é trocado porque, em termos meteorológicos, o interesse é estudar o comportamento conjunto da cauda superior de precipitação e da cauda inferior de "ómega". As séries de precipitação e "-ómega" são desfasadas 1 dia em relação à série de humidade transportada devido à natureza temporal do sistema do GPLLJ. Após uma análise preliminar dos dados em estudo, inicia-se o processo de ajustamento do Modelo de Limiar Bivariado de Excessos. Para tal, é necessário previamente ajustar modelos univariados de limiar às margens. Conclui-se que, tanto nos casos de humidade transportada baixa como alta, um limiar adequado para "-ómega" é u1 = 0.03 (Pa/s) e, para precipitação, é adequado escolher u2 = 5.2 (mm/dia). Usando esses limiares, o modelo GPD é mais apropriado do que o exponencial no caso de "-ómega", verificando-se o contrário no caso da precipitação, tanto nos casos de humidade transportada baixa como alta. Tendo escolhido essas distribuições para os excessos acima do respectivo limiar em cada margem, é utilizado o método de verosimilhança censurada considerando oito diferentes modelos paramétricos. É demonstrado que, para todos esses modelos, a dependência extrema entre "-ómega" e precipitação é mais forte no caso de humidade transportada alta do que quando ela é baixa. Os valores do critério de informação de Akaike (AIC, pelo seu acrónimo em inglês) correspondentes a cada um desses modelos são também calculados e o modelo mais parcimonioso no caso de humidade transportada baixa é o bilogístico, enquanto que no caso de ela ser alta, é o logístico. É apresentada a informação mais relevante sobre o modelo bilogístico ajustado no caso de humidade transportada baixa e o modelo logístico ajustado para o caso de ela ser alta. Apresentam-se as estimativas de máxima verosimilhança dos seus coeficientes, as suas correspondentes funções de dependência de Pickands, bem como algumas curvas de quantis estimadas que foram construídas utilizando estes modelos. Além disso, através dos gráficos destinados a esse fim, chega-se à conclusão de que podemos assumir que as variáveis são assimptoticamente dependentes, e portanto os modelos que são apresentados na parte teórica da tese são apropriados para este par de variáveis, tanto nos casos de humidade transportada baixa como alta. Por fim, são ajustadas cópulas ao par (-ómega,precipitação), tanto nos casos de humidade transportada baixa como alta. Chega-se à conclusão de que a dependência global entre "-ómega" e precipitação é mais forte no caso de humidade transportada alta do que quando ela é baixa. Além disso, através das estimativas dos coeficientes de dependência de cauda, vemos que a dependência superior de cauda entre "-ómega" e precipitação é mais forte no caso de humidade transportada alta do que quando ela é baixa, resultado que está em consonância com as conclusões obtidas a partir do estudo dos extremos bivariados. Além disso, utilizando cópulas, chega-se à mesma conclusão no que se refere à dependência inferior de cauda. De acordo com os testes de ajustamento realizados às cópulas t de Student e Gumbel em cada caso de humidade transportada baixa e alta, esses modelos mostraram ser apropriados em ambos os casos. De acordo com os valores de AIC, a cópula t de Student é o modelo mais adequado no caso de humidade transportada baixa e a cópula Gumbel quando ela é alta. Finalmente, usando estas duas cópulas ajustadas, traçaram-se as funções de densidade dos modelos ajustados. A comparação das pseudo-observações com dados simulados a partir das cópulas ajustadas permite-nos pensar que os modelos são adequados.The Great Plains Low-Level Jet (GPLLJ) system consists of very strong winds in the lower troposphere that transport a huge amount of moisture from the Gulf of Mexico to the American Great Plains and is mainly active during summer. The two main objectives of this thesis are: to study the univariate extremes of the Transported Moisture from the GPLLJ source region to the jet domain; and, in the cases of low and high Transported Moisture, to analyze the global and extremal dependence between the upper tail of the precipitation in the GPLLJ sink region and the lower tail of the tropospheric stability in the GPLLJ sink region (omega). For this purpose, we use the series of daily observations of Transported Moisture, Precipitation and "omega" of the periods June-July-August from 1980 to 2017. Observations of Precipitation and "omega" were separated into two groups according to the observed values of Transported Moisture: a value of Transported Moisture is considered low if it is lower than the corresponding 0.25 empirical probability quantile and high if it exceeds the 0.75 probability quantile of that variable. In order to work on the first objective of the thesis, the fundamental concepts of Univariate Extreme Value Theory are presented. Regarding the second objective, the key topics of Bivariate Extreme Value Theory and Copula Theory are also explained. With respect to the univariate extremes of Transported Moisture, the Peaks Over Threshold (POT) approach is applied. With the aim of dealing with the dependence between the excesses, a declustering scheme is performed. We come to the conclusion that a non-stationary Exponential model is the most appropriate for the cluster maxima of excesses. Using that model, it is shown that the estimated 38- year, 50-year and 100-year return levels of the Transported Moisture series decrease over the period considered. Taking into account that, when dealing with bivariate extremes, interest focuses in the lower tail of "omega", we studied the extremal behaviour of the pair (-omega,precipitation) in the cases of low and high Transported Moisture. Eight different parametric models are used for fitting the so-called Bivariate Threshold Excess Model. For all those models, we were able to understand that the extremal dependence between "-omega" and precipitation is stronger in the case of high Transported Moisture. The same result is obtained using copulas. Additionally, it is shown that both the global and the lower tail dependence are also stronger when the Transported Moisture is high

The role of moisture transport for precipitation in the inter-annual and inter-daily fluctuations of the Arctic sea ice extension

By considering the moisture transport for precipitation (MTP) for a target region to be the moisture that arrives in this region from its major moisture sources and which then results in precipitation in that region, we explore (i) whether the MTP from the main moisture sources for the Arctic region is linked with inter-annual fluctuations in the extent of Arctic sea ice superimposed on its decline and (ii) the role of extreme MTP events in the inter-daily change in the Arctic sea ice extent (SIE) when extreme MTP simultaneously arrives from the four main moisture regions that supply it. The results suggest (1) that ice melting at the scale of inter-annual fluctuations against the trend is favoured by an increase in moisture transport in summer, autumn, and winter and a decrease in spring and, (2) on a daily basis, extreme humidity transport increases the formation of ice in winter and decreases it in spring, summer, and autumn; in these three seasons extreme humidity transport therefore contributes to Arctic sea ice melting. These patterns differ sharply from that linked to the decline on a long-range scale, especially in summer when the opposite trend applies, as ice melt is favoured by a decrease in moisture transport for this season at this scale.Ministerio de Ciencia e Innovación | Ref. CGL2015-65141-

A new pattern of the moisture transport for precipitation related to the drastic decline in Arctic sea ice extent

In this study we use the term moisture transport for precipitation for a target region as the moisture coming to this region from its major moisture sources resulting in precipitation over the target region (MTP). We have identified changes in the pattern of moisture transport for precipitation over the Arctic region, the Arctic Ocean, and its 13 main subdomains concurrent with the major sea ice decline that occurred in 2003. The pattern consists of a general decrease in moisture transport in summer and enhanced moisture transport in autumn and early winter, with different contributions depending on the moisture source and ocean subregion. The pattern is statistically significant and consistent with changes in the vertically integrated moisture fluxes and frequency of circulation types. The results of this paper also reveal that the assumed and partially documented enhanced poleward moisture transport from lower latitudes as a consequence of increased moisture from climate change seems to be less simple and constant than typically recognised in relation to enhanced Arctic precipitation throughout the year in the present climate.Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación | Ref. CGL2015-65141-

The influence of maritime spatial planning on the development of marine renewable energies in Portugal and Spain: legal challenges and opportunities

The objective of this study is to analyse, from a legal point of view, the influence of the transposition of Marine Spatial Planning Directive into both Spanish and Portuguese domestic laws on the development of marine renewable energies in both countries. This article concludes that the Portuguese legal system is more favourable for the development of marine renewable energies than the Spanish legal regime, since the former establishes a more flexible planning system, sets criteria for the prioritisation of marine uses, incorporates trade-off mechanisms, introduces an electronic single-window system and regulates a pilot zone. These measures can help streamline licensing processes, avoid and resolve conflicts with other sea users, and adapt planning instruments to the rapid development of new marine renewable technologies. However, both legal regimes lack specific legal mechanisms aimed at offering effective protection of the marine environment against negative effects arising from the installation of such devices. Similarly, there is a lack of coordination between maritime spatial planning instruments and land planning instruments, and between the Central Government and the autonomous regions. This may hinder the installation of marine renewable energies. This study has implications in relation to the EU integrated marine policy aimed at achieving a balance between blue growth and the conservation of the marine environment, as well as an inter-administrative coordination improvement in decision-making.Xunta de Galicia | Ref. ED481A-2016/36Programa IACOBUS (Galicia-North Portugal Euroregion

A neural approach to the value investing tool F-score

This work is the first neural approach to Piotroski’s (2000) F-Score. From the same informative signals, our approach based on network data envelopment analysis allows for 1) overcoming the binary perspective of classification between companies with good/bad fundamentals, and 2) appropriately assessing the existing interaction among a company’s main financial areas. The analysis of a complete sample of the largest listed companies in the Eurozone and in the U.S. market in the period 2006-2017 shows that our neural F-Score significantly improves the portfolio returns obtained by the original F-Score. Sigue faltando paginació