Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Algorisme d'optimització global de les mesures de semblança quàntica molecular

Les Mesures de Semblança Quàntica Molecular (MSQM) requereixen la maximització del solapament de les densitats electròniques de les molècules que es comparen. En aquest treball es presenta un algorisme de maximització de les MSQM, que és global en el límit de densitats electròniques deformades a funcions deltes de Dirac. A partir d'aquest algorisme se'n deriva l'equivalent per a densitats no deformades

Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Validation of ocean model syntheses against hydrography using a new web application

Results are presented from a new web application called OceanDIVA - Ocean Data Intercomparison and Visualization Application. This tool reads hydrographic profiles and ocean model output and presents the data on either depth levels or isotherms for viewing in Google Earth, or as probability density functions (PDFs) of regional model-data misfits. As part of the CLIVAR Global Synthesis and Observations Panel, an intercomparison of water mass properties of various ocean syntheses has been undertaken using OceanDIVA. Analysis of model-data misfits reveals significant differences between the water mass properties of the syntheses, such as the ability to capture mode water properties.

The statistical properties of tropical ice clouds generated by the West-African and Australian monsoons from ground-based radar-lidar observations

In the present paper we characterize the statistical properties of non-precipitating tropical ice clouds (deep ice anvils resulting from deep convection and cirrus clouds) over Niamey, Niger, West Africa, and Darwin, northern Australia, using ground-based radar–lidar observations from the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) programme. The ice cloud properties analysed in this paper are the frequency of ice cloud occurrence, cloud fraction, the morphological properties (cloud-top height, base height, and thickness), the microphysical and radiative properties (ice water content, visible extinction, effective radius, terminal fall speed, and concentration), and the internal cloud dynamics (in-cloud vertical air velocity). The main highlight of the paper is that it characterizes for the first time the probability density functions of the tropical ice cloud properties, their vertical variability and their diurnal variability at the same time. This is particularly important over West Africa, since the ARM deployment in Niamey provides the first vertically resolved observations of non-precipitating ice clouds in this crucial area in terms of redistribution of water and energy in the troposphere. The comparison between the two sites also provides an additional observational basis for the evaluation of the parametrization of clouds in large-scale models, which should be able to reproduce both the statistical properties at each site and the differences between the two sites. The frequency of ice cloud occurrence is found to be much larger over Darwin when compared to Niamey, and with a much larger diurnal variability, which is well correlated with the diurnal cycle of deep convective activity. The diurnal cycle of the ice cloud occurrence over Niamey is also much less correlated with that of deep convective activity than over Darwin, probably owing to the fact that Niamey is further away from the deep convective sources of the region. The frequency distributions of cloud fraction are strongly bimodal and broadly similar over the two sites, with a predominance of clouds characterized either by a very small cloud fraction (less than 0.3) or a very large cloud fraction (larger than 0.9). The ice clouds over Darwin are also much thicker (by 1 km or more statistically) and are characterized by a much larger diurnal variability than ice clouds over Niamey. Ice clouds over Niamey are also characterized by smaller particle sizes and fall speeds but in much larger concentrations, thereby carrying more ice water and producing more visible extinction than the ice clouds over Darwin. It is also found that there is a much larger occurrence of downward in-cloud air motions less than 1 m s−1 over Darwin, which together with the larger fall speeds retrieved over Darwin indicates that the life cycle of ice clouds is probably shorter over Darwin than over Niamey.

Validation of three new measure-correlate-predict models for the long-term prospection of the wind resource

The estimation of the long-term wind resource at a prospective site based on a relatively short on-site measurement campaign is an indispensable task in the development of a commercial wind farm. The typical industry approach is based on the measure-correlate-predict �MCP� method where a relational model between the site wind velocity data and the data obtained from a suitable reference site is built from concurrent records. In a subsequent step, a long-term prediction for the prospective site is obtained from a combination of the relational model and the historic reference data. In the present paper, a systematic study is presented where three new MCP models, together with two published reference models �a simple linear regression and the variance ratio method�, have been evaluated based on concurrent synthetic wind speed time series for two sites, simulating the prospective and the reference site. The synthetic method has the advantage of generating time series with the desired statistical properties, including Weibull scale and shape factors, required to evaluate the five methods under all plausible conditions. In this work, first a systematic discussion of the statistical fundamentals behind MCP methods is provided and three new models, one based on a nonlinear regression and two �termed kernel methods� derived from the use of conditional probability density functions, are proposed. All models are evaluated by using five metrics under a wide range of values of the correlation coefficient, the Weibull scale, and the Weibull shape factor. Only one of all models, a kernel method based on bivariate Weibull probability functions, is capable of accurately predicting all performance metrics studied.

An evaluation of the spatiotemporal structure of large-scale European drought within the HiGEM climate model

We compare the characteristics of synthetic European droughts generated by the HiGEM1 coupled climate model run with present day atmospheric composition with observed drought events extracted from the CRU TS3 data set. The results demonstrate consistency in both the rate of drought occurrence and the spatiotemporal structure of the events. Estimates of the probability density functions for event area, duration and severity are shown to be similar with confidence > 90%. Encouragingly, HiGEM is shown to replicate the extreme tails of the observed distributions and thus the most damaging European drought events. The soil moisture state is shown to play an important role in drought development. Once a large-scale drought has been initiated it is found to be 50% more likely to continue if the local soil moisture is below the 40th percentile. In response to increased concentrations of atmospheric CO2, the modelled droughts are found to increase in duration, area and severity. The drought response can be largely attributed to temperature driven changes in relative humidity. 1 HiGEM is based on the latest climate configuration of the Met Office Hadley Centre Unified Model (HadGEM1) with the horizontal resolution increased to 1.25 x 0.83 degrees in longitude and latitude in the atmosphere and 1/3 x 1/3 degrees in the ocean.

O_3-N_2O correlations from the Atmospheric Chemistry Experiment: revisiting a diagnostic of transport and chemistry in the stratosphere

Our knowledge of stratospheric O3-N2O correlations is extended, and their potential for model-measurement comparison assessed, using data from the Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) satellite and the Canadian Middle Atmosphere Model (CMAM). ACE provides the first comprehensive data set for the investigation of interhemispheric, interseasonal, and height-resolved differences of the O_3-N_2O correlation structure. By subsampling the CMAM data, the representativeness of the ACE data is evaluated. In the middle stratosphere, where the correlations are not compact and therefore mainly reflect the data sampling, joint probability density functions provide a detailed picture of key aspects of transport and mixing, but also trace polar ozone loss. CMAM captures these important features, but exhibits a displacement of the tropical pipe into the Southern Hemisphere (SH). Below about 21 km, the ACE data generally confirm the compactness of the correlations, although chemical ozone loss tends to destroy the compactness during late winter/spring, especially in the SH. This allows a quantitative comparison of the correlation slopes in the lower and lowermost stratosphere (LMS), which exhibit distinct seasonal cycles that reveal the different balances between diabatic descent and horizontal mixing in these two regions in the Northern Hemisphere (NH), reconciling differences found in aircraft measurements, and the strong role of chemical ozone loss in the SH. The seasonal cycles are qualitatively well reproduced by CMAM, although their amplitude is too weak in the NH LMS. The correlation slopes allow a "chemical" definition of the LMS, which is found to vary substantially in vertical extent with season.

Climate change scenarios for precipitation extremes in Portugal

Precipitation indices are commonly used as climate change indicators. Considering four Climate Variability and Predictability-recommended indices, this study assesses possible changes in their spatial patterns over Portugal under future climatic conditions. Precipitation data from the regional climate model Consortium for Small-Scale Modelling–Climate version of the Local Model (CCLM) ensemble simulations with ECHAM5/MPI-OM1 boundary conditions are used for this purpose. For recent–past, medians and probability density functions of the CCLM-based indices are validated against station-based and gridded observational dataset from ENSEMBLES-based (gridded daily precipitation data provided by the European Climate Assessment & Dataset project) indices. It is demonstrated that the model is able to realistically reproduce not only precipitation but also the corresponding extreme indices. Climate change projections for 2071–2100 (A1B and B1 SRES scenarios) reveal significant decreases in total precipitation, particularly in autumn over northwestern and southern Portugal, though changes exhibit distinct local and seasonal patterns and are typically stronger for A1B than for B1. The increase in winter precipitation over northeastern Portugal in A1B is the most important exception to the overall drying trend. Contributions of extreme precipitation events to total precipitation are also expected to increase, mainly in winter and spring over northeastern Portugal. Strong projected increases in the dry spell lengths in autumn and spring are also noteworthy, giving evidence for an extension of the dry season from summer to spring and autumn. Although no coupling analysis is undertaken, these changes are qualitatively related to modifications in the large-scale circulation over the Euro-Atlantic area, more specifically to shifts in the position of the Azores High and associated changes in the large-scale pressure gradient over the area.

A closer look at chaotic advection in the stratosphere: part II: statistical diagnostics

Statistical diagnostics of mixing and transport are computed for a numerical model of forced shallow-water flow on the sphere and a middle-atmosphere general circulation model. In particular, particle dispersion statistics, transport fluxes, Liapunov exponents (probability density functions and ensemble averages), and tracer concentration statistics are considered. It is shown that the behavior of the diagnostics is in accord with that of kinematic chaotic advection models so long as stochasticity is sufficiently weak. Comparisons with random-strain theory are made.