Power laws and scaling of rain events and dry spells in the Catalonia region

We analyze the statistics of rain-event sizes, rain-event durations, and dry-spell durations in a network of 20 rain gauges scattered in an area situated close to the NW Mediterranean coast. Power-law distributions emerge clearly for the dryspell durations, with an exponent around 1.50 ± 0.05, although for event sizes and durations the power-law ranges are rather limited, in some cases. Deviations from power-law behavior are attributed to finite-size effects. A scaling analysis helps to elucidate the situation, providing support for the existence of scale invariance in these distributions. It is remarkable that rain data of not very high resolution yield findings in agreement with self-organized critical phenomena.

Universality of rain event size distributions

We compare rain event size distributions derived from measurements in climatically different regions, which we find to be well approximated by power laws of similar exponents over broad ranges. Differences can be seen in the large-scale cutoffs of the distributions. Event duration distributions suggest that the scale-free aspects are related to the absence of characteristic scales in the meteorological mesoscale.

Anàlisi de la modelització hidrològica com a eina per la predicció d'inundacions i la gestió del territori

Les inundacions són actualment les catàstrofes naturals més recurrents i les que generen un major nombre de danys i víctimes arreu del món. L'ocupació de les zones inundables a les lleres del riu és la causa principal d’aquests desastres naturals. En aquest article es descriu la realització de models hidrològics com a mecanisme per la predicció d’inundacions i la gestió del territori. S’han estudiat les conques de la Riera de Santa Coloma (Catalunya) i del riu San Francisco (Guatemala) mitjançant els programes HEC-HMS i HEC-RAS, dels quals s’avalua la seva capacitat com eina per a la gestió del territori. S’ha analitzat l’efecte de la urbanització en el risc d’inundació en el cas de la Riera de Santa Coloma en base a la previsió del Plà d’Ordenament Urbanístic Municipal. S’han determinat les zones inundables resultants de episodis de precipitació extrems al Riu San Francisco per als episodis de les tempestes Stan(2005) i Agatha(2010).

Impacte de la variabilitat climàtica ràpida de l'últim període glacial sobre la vegetació del sud-est de Nord Amèrica

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a UMR-CNRS - Géologie et Océanographie, França, entre 2007 i 2009. Els canvis climàtics ràpids de l’últim període glacial (cicles Dansgaard/Oeschger i Heinrich Stadials-HS), han estat documentats en testimonis marins, de gel i dipòsits continentals, generalment de l’hemisferi nord. Mentre que la majoria dels estudis paleoclimàtics i paleoceanogràfics de l’Atlàntic Nord sobre l’últim període glacial s’han centrat en la part nord i est, les latituds mitjanes de la part occidental han estat menys estudiades. Particularment, els canvis de la vegetació de l’est de Nord Amèrica durant l’últim glacial es coneixen molt poc degut a la manca de seqüències pol.líniques llargues en aquesta regió. Només dues seqüències de pol.len del llac Tulane (Florida) mostren canvis de la vegetació significatius i interessants durant l’últim glacial, que suggereixen HS càlids i humits, que contrasta amb el que s’observa a l’altre costat de l’Atlàntic Nord. El treball realitzat al UMR-CNRS 5805 EPOC, Université Bordeaux 1, EPHE, des del 23 d’abril 2007 al 22 d’abril 2009, gràcies a la beca Beatriu de Pinós, implica una reconstrucció a alta resolució dels canvis de la vegetació a partir de l’anàlisi d’un testimoni marí, localitzat a l’oest de l’Atlàntic Nord subtropical (MD99-2203, 34º58’N, 75º12’W), durant l’Estadi Isotòpic Marí 3 (MIS 3). Les dades pal.linològiques del testimoni mostren una alternança entre Picea i Quercus. En general, les associacions pol.líniques indiquen que les variacions de la vegetació segueixen un patró bosc boreal/temperat durant l’últim glacial. El model d’edat preliminar basat en edats radiomètriques suggereix un augment del bosc temperat acompanyat d’una reducció del boreal entre el H4 i el H3. La comparació amb registres pol.línics marins d’alta resolució de la regió est subtropical, a latituds similars, mostren, per primer cop, que els canvis en les formacions forestals associats als canvis climàtics ràpids de l’últim glacial van ser menys intensos al sud-est de Nord Amèrica que a la Península Ibèrica.

Estrategies per la inversió tridimensional de dades magnetotel.lúriques:

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Dublin Institute for Advanced Studies, Irlanda, entre setembre i desembre del 2009.En els últims anys s’ha realitzat un important avanç en la modelització tridimensional en magnetotel•lúrica (MT) gracies a l'augment d’algorismes d’inversió tridimensional disponibles. Aquests codis utilitzen diferents formulacions del problema (diferències finites, elements finits o equacions integrals), diverses orientacions del sistema de coordenades i, o bé en el conveni de signe, més o menys, en la dependència temporal. Tanmateix, les impedàncies resultants per a tots els valors d'aquests codis han de ser les mateixes una vegada que es converteixen a un conveni de signe comú i al mateix sistema de coordenades. Per comparar els resultats dels diferents codis hem dissenyat models diferents de resistivitats amb estructures tridimensional incrustades en un subsòl homogeni. Un requisit fonamental d’aquests models és que generin impedàncies amb valors importants en els elements de la diagonal, que no són menyspreables. A diferència dels casos del modelització de dades magnetotel.lúriques unidimensionals i bidimensionals, pel al cas tridimensional aquests elements de les diagonals del tensor d'impedància porten informació sobre l'estructura de la resistivitat. Un dels models de terreny s'utilitza per comparar els diferents algoritmes que és la base per posterior inversió dels diferents codis. Aquesta comparació va ser seguida de la inversió per recuperar el conjunt de dades d'una estructura coneguda.

Emissió ràdio a baixa freqüència en fenòmens eruptius i en fonts esteses de raigs gamma d'alta i molt alta energia

La tasca investigadora presentada en aquesta memòria s'ha centrat en les fonts galàctiques de raigs gamma de molt alta energia LS I +61 303, HESS J1708-410 i HESS J1858+020. La primera és una binària de raigs gamma molt estudiada, formada per una estrella massiva i un objecte compacte. S'ha proposat un escenari on l'objecte compacte seria un púlsar jove, i la interacció del seu vent amb el vent de l'estrella generaria els raigs gamma. De totes formes, no s'ha detectat polsos procedents d'aquest putatiu púlsar. L'investigador va realitzar observacions en fase a 1280 MHz amb el radiotelescopi GMRT, sense trobar-hi polsos, cosa que implica un estricte límit superior de 0,38 mJy a la densitat mitjana de flux polsat en un putatiu púlsar amb un període major que 2 mil•lisegons en el sistema binari LS I +61 303. Per altra banda, HESS J1708-410 i HESS J1858+020 són dues fonts esteses de raigs gamma de molt alta energia de les quals no es coneix cap contrapart a d'altres longituds d'ona. L'investigador les va observar amb el GMRT, quatre vegades HESS J1708-410 (dues a 610 MHz i dues a 1400 MHz) i dues vegades HESS J1858+020 (una a cada freqüència). En les imatges realitzades amb aquestes dades no hi ha emissió estesa coincident amb les regions d'emissió de raigs gamma. HESS J1858+020 se solapa parcialment amb una font estesa que podria ser un SNR. De confirmar-se la falta de contrapartida ràdio de HESS J1708-410, estaríem parlant d'un accelerador hadrònic extraordinàriament eficient, d'una classe desconeguda fins ara.

Tropical cyclones as a critical phenomenon

It has been proposed that the number of tropical cyclones as a function of the energy they release is a decreasing power-law function, up to a characteristic energy cutoff determined by the spatial size of the ocean basin in which the storm occurs. This means that no characteristic scale exists for the energy of tropical cyclones, except for the finite-size effects induced by the boundaries of the basins. This has important implications for the physics of tropical cyclones. We discuss up to what point tropical cyclones are related to critical phenomena (in the same way as earthquakes, rainfall, etc.), providing a consistent picture of the energy balance in the system. Moreover, this perspective allows one to visualize more clearly the effects of global warming on tropical-cyclone occurrence.

Variability of North Atlantic hurricanes: seasonal versus individual-event features

Tropical cyclones are affected by a large number of climatic factors, which translates into complex patterns of occurrence. The variability of annual metrics of tropical-cyclone activity has been intensively studied, in particular since the sudden activation of the North Atlantic in the mid 1990’s. We provide first a swift overview on previous work by diverse authors about these annual metrics for the North-Atlantic basin, where the natural variability of the phenomenon, the existence of trends, the drawbacks of the records, and the influence of global warming have been the subject of interesting debates. Next, we present an alternative approach that does not focus on seasonal features but on the characteristics of single events [Corral et al., Nature Phys. 6, 693 (2010)]. It is argued that the individual-storm power dissipation index (PDI) constitutes a natural way to describe each event, and further, that the PDI statistics yields a robust law for the occurrence of tropical cyclones in terms of a power law. In this context, methods of fitting these distributions are discussed. As an important extension to this work we introduce a distribution function that models the whole range of the PDI density (excluding incompleteness effects at the smallest values), the gamma distribution, consisting in a powerlaw with an exponential decay at the tail. The characteristic scale of this decay, represented by the cutoff parameter, provides very valuable information on the finiteness size of the basin, via the largest values of the PDIs that the basin can sustain. We use the gamma fit to evaluate the influence of sea surface temperature (SST) on the occurrence of extreme PDI values, for which we find an increase around 50 % in the values of these basin-wide events for a 0.49 C SST average difference. Similar findings are observed for the effects of the positive phase of the Atlantic multidecadal oscillation and the number of hurricanes in a season on the PDI distribution. In the case of the El Niño Southern oscillation (ENSO), positive and negative values of the multivariate ENSO index do not have a significant effect on the PDI distribution; however, when only extreme values of the index are used, it is found that the presence of El Niño decreases the PDI of the most extreme hurricanes.

Statistical tests for scaling in the inter-event times of earthquakes in California

We explore in depth the validity of a recently proposed scaling law for earthquake inter-event time distributions in the case of the Southern California, using the waveform cross-correlation catalog of Shearer et al. Two statistical tests are used: on the one hand, the standard two-sample Kolmogorov-Smirnov test is in agreement with the scaling of the distributions. On the other hand, the one-sample Kolmogorov-Smirnov statistic complemented with Monte Carlo simulation of the inter-event times, as done by Clauset et al., supports the validity of the gamma distribution as a simple model of the scaling function appearing on the scaling law, for rescaled inter-event times above 0.01, except for the largest data set (magnitude greater than 2). A discussion of these results is provided.

Using self organizing maps on compositional data

Self-organizing maps (Kohonen 1997) is a type of artificial neural network developedto explore patterns in high-dimensional multivariate data. The conventional versionof the algorithm involves the use of Euclidean metric in the process of adaptation ofthe model vectors, thus rendering in theory a whole methodology incompatible withnon-Euclidean geometries.In this contribution we explore the two main aspects of the problem:1. Whether the conventional approach using Euclidean metric can shed valid resultswith compositional data.2. If a modification of the conventional approach replacing vectorial sum and scalarmultiplication by the canonical operators in the simplex (i.e. perturbation andpowering) can converge to an adequate solution.Preliminary tests showed that both methodologies can be used on compositional data.However, the modified version of the algorithm performs poorer than the conventionalversion, in particular, when the data is pathological. Moreover, the conventional ap-proach converges faster to a solution, when data is \well-behaved".Key words: Self Organizing Map; Artificial Neural networks; Compositional data

Projecte de viabilitat de la proposta de gestió de les aigües pluvials al municipi de Begur

Estudi sobre les riuades provocades per les pluges torrencials al municipi de Begur i proposta d’un projecte alternatiu més sostenible respecte al creat per l’Ajuntament sobre la gestió d’aquestes aigües pluvials