Resumen de Complexity in Slowly-Driven Interaction-Dominated Threshold Systems: the Case of Rainfall
Anna Deluca Silberberg
Molts processos geofísics presenten comportament emergent. Aquest sovint es manifesta com a regularitats estadístiques de gran escala com les distribucions de lleis de potències de certs observables dels corresponents sistemes. En aquesta tesi investiguem l’aparició d' aquestes regularitats, desenvolupant tècniques estadístiques per fer estimacions acurades dels paràmetres de les distribucions de lleis de potencies. El nostre mètode proporciona un criteri objectiu per escollir el domini on la distribució segueix una llei de potencies. L' apliquem per investigar temps de vida mitja d’elements radioactius, el moment sísmic de terratrèmols, l’energia dels ciclons tropicals, els incendis forestals, i els temps d’espera entre terratrèmols. En el cas de la pluja també s'han observat, per mesures a latituds mitjanes, lleis de potències per les mides dels esdeveniments. En aquest estudi, apliquem el mètode per investigar si aquestes observacions es poden reproduir per dades de diversos climes diferents. Els resultats són positius i constitueixen un indici més de què la convecció atmosfèrica i les precipitacions podrien ser un exemple, al món real, de la Criticalitat Auto-Organitzada (Self-Organised Criticality o SOC en anglès; un mecanisme que explica l'aparició de lleis de potències a la natura). També fem un anàlisi d'escala per tal d’observar el col·lapse de les distribucions. Tanmateix, el mètode no serveix per comprovar la presència d’universalitat, que és quelcom que s'espera observar en un sistema SOC. Per tant, hem desenvolupat un mètode basat en un test de permutació per tal de determinar si els exponents estimats són estadísticament compatibles. El nostre test permutacional alternatiu dóna resultats clars: tot i el fet que les diferències entre els exponents són més aviat petites, la presència d’universalitat queda descartada. El fet que la hipòtesi d’universalitat quedi rebutjada en aquests tests, no implica però que s’hagi de descartar l’existència d’un mecanisme universal per la convecció atmosfèrica, ja que les dades recol·lectades podrien presentar errors sistemàtics no controlats. Finalment, estudiem les conseqüències dels resultats anteriors en la predicció de fenòmens atmosfèrics. Analitzem l'efecte de posar llindars d'observació en models SOC i dades de pluja. La predictibilitat de fenòmens extrems i intensitats extremes s’estudia mitjançant una variable de decisió sensible a la tendència a formar “clusters” o a repel·lir-se dels esdeveniments. Avaluem la qualitat d'aquestes prediccions mitjançant el mètode anomenat Característica Operativa del Receptor. En l’escala d’esdeveniments (gran escala), els temps entre esdeveniments de pluja renormalitzen a un procés de puntual trivial, i llavors la predictibilitat decreix quan el llindar creix. El mateix comportament s'observa per series temporals de models SOC en els quals s'ha aplicat un llindar de detecció d'intensitats, però s'observa el comportament contrari quan aquest no s'aplica. En l'escala de les intensitats (curta escala), la predicció no es veu afectada pel llindar, donat que els processos roman gairebé inalterat (així també els exponents crítics corresponents) fins que llindars significativament elevats s’assoleixen.
