Ποσοτικοποίηση των ρόλων των μεμονωμένων μετρητών βροχής σε ομοιογενείς περιοχές ενός δικτύου βροχοπτώσεων

Το δίκτυο βροχόπτωσης είναι μια υποδομή από διακριτά βροχόμετρα που δημιουργούν αξιόπιστο και κατά προσέγγιση πεδίο βροχής σε μια συνεχή χωρική περιοχή. Αυτό το πεδίο βροχής (εκτίμηση βροχοπτώσεων) είναι ζωτικής σημασίας για τις περισσότερες υδρολογικές μελέτες. Για παράδειγμα, απαιτούνται παρατηρήσεις βροχοπτώσεων για το σχεδιασμό υδραυλικών κατασκευών, την εκτίμηση και την πρόβλεψη πλημμυρών, την αξιολόγηση της διαθεσιμότητας νερού και τις μελέτες κλιματικών επιπτώσεων.

Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, τα βροχόμετρα είναι σπάνια επειδή (i) ολόκληρη η ρύθμιση του βροχομέτρου και η συντήρηση μετά την εγκατάσταση κοστίζουν τεράστιο ποσό χρημάτων από τους φορολογούμενους, (ii) και οι δυσπρόσιτες τοποθεσίες απαιτούν γνώση των χαρακτηριστικών βροχόπτωσης σε σχετικούς σταθμούς κοντά.

Ένας κοινός και απλός τρόπος για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις είναι να υποθέσουμε ότι τα χαρακτηριστικά της βροχόπτωσης σε κοντινά σημεία σχετίζονται πιο στενά από εκείνα σε μακρινά σημεία, όπως περιγράφεται από τον (Tobler, 1970) στο «First Law of Geography». Αυτή η υπόθεση είναι επίσης το θεμέλιο της γεωστατιστικής, η οποία με τη σειρά της είναι θεμελιώδης για πολλές κλασικές προσεγγίσεις ανάλυσης χωρικών δεδομένων, παρεμβολής σε όλη την υδρολογία και άλλους γεωεπιστημονικούς κλάδους.

Αν και αυτή η υπόθεση είναι συχνά λογική, μπορεί να μην ισχύει σε κάθε περίπτωση, ειδικά σε περιοχές με πολύπλοκη τοπογραφία. Σε τέτοιες περιοχές, τα στατιστικά στοιχεία της βροχόπτωσης που καταγράφονται σε γειτονικούς σταθμούς μπορεί να ποικίλλουν σημαντικά λόγω των υψηλών τοπογραφικών κλίσεων και, ως εκ τούτου, των αλλαγών στο μοτίβο βροχοπτώσεων μεταξύ τους. Επιπλέον, στο σενάριο της υπερθέρμανσης του πλανήτη, αυτή η υπόθεση δεν ισχύει καθώς οδηγεί σε έντονη δυναμική σύζευξη σε απομακρυσμένες περιοχές. Κατά συνέπεια, υπάρχει μια ανοιχτή πρόκληση:πώς να χρησιμοποιήσετε αποτελεσματικά και αποδοτικά τις διαθέσιμες πληροφορίες από τα υπάρχοντα δίκτυα βροχομετρητών για καλύτερο σχεδιασμό και σκοπούς διαχείρισης των υδάτων.

Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα, ακολουθήσαμε μια ταχέως αναδυόμενη σύνθετη προσέγγιση δικτύου. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το σύνθετο δίκτυο αποτελείται από πολλές οντότητες (κόμβους) και η σύνδεση μεταξύ κάθε ζεύγους μιας οντότητας (κόμβος) ρυθμίζεται με βάση τον τρόπο αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Για παράδειγμα, σε ένα οικογενειακό δίκτυο, κάθε άτομο θεωρείται ως ένας κόμβος και η σχέση μεταξύ τους είναι ένας σύνδεσμος. Σε ένα δίκτυο υπολογιστών, κάθε υπολογιστής είναι ένας κόμβος και οι σύνδεσμοι είναι οι συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών υπολογιστών. Στα δίκτυα του εγκεφάλου, οι νευρώνες είναι κόμβοι και οι σύνδεσμοι αντιπροσωπεύουν την αλληλεπίδραση των ζευγαρωμένων νευρώνων. Γενικά, τα πολύπλοκα δίκτυα αποτελούνται από μικρές, πυκνά διασυνδεδεμένες ομάδες που ονομάζονται κοινότητες — ή από μια ομοιογενή περιοχή στο δίκτυο μετρήσεων βροχής.

Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε τη σύνθετη προσέγγιση που βασίζεται σε δίκτυο στο δίκτυο βροχόμετρου για να αξιολογήσουμε ποσοτικά και ποιοτικά τον παγκόσμιο ρόλο κάθε σταθμού βροχόμετρου στην Ινδία. Η ανάλυσή μας αποκαλύπτει ότι σε μια κοινότητα (ομοιογενής περιοχή), κάθε βροχόμετρο παίζει διαφορετικό ρόλο. Αυτοί οι ρόλοι μπορεί να είναι υπερ-περιφερικοί ή περιφερειακοί κόμβοι (οι περισσότερες συνδέσεις εντός ομοιογενών περιοχών), δορυφορικοί σύνδεσμοι (οι περισσότερες συνδέσεις σε άλλη κοινότητα), κόμβοι χωρίς συγγένεια (λανθασμένα εκχωρημένοι κόμβοι), τοπικό κέντρο (κόμβος κοινότητας), υβριδικοί κόμβοι (σύνδεση δύο διαφορετικές κοινότητες) και καθολική σύνδεση (εξίσου συνδεδεμένη με όλες τις διαφορετικές κοινότητες). Αυτές οι πληροφορίες είναι ζωτικής σημασίας για πολλές κρίσιμες αποφάσεις στην υδρολογική μηχανική.

Τα βασικά αποτελέσματα δείχνουν ότι (i) το δίκτυο βροχοπτώσεων αποτελείται από ανόμοιες κοινότητες (ομογενείς περιοχές) και ο τρόπος με τον οποίο οι κοινότητες συνδέονται μέσα τους και με άλλους δεν είναι ασήμαντος. (ii) σύνθετο δίκτυο αποδίδει μεγεθυμένες λεπτομέρειες για μεμονωμένους σταθμούς βροχοπτώσεων σε κάθε κοινότητα. (iii) η διερεύνηση και η ποσοτικοποίηση του ρόλου κάθε σταθμού σίγουρα θα βοηθούσε στη μείωση της αβεβαιότητας σε διάφορες υδρολογικές εφαρμογές. και (iv) τα αποτελέσματα της μελέτης έχουν σημαντική επίπτωση στον εντοπισμό τοποθεσιών βασικών κόμβων στα κλιματικά συστήματα  που παίζουν σημαντικό ρόλο στην επίδραση του κλίματος στη δεδομένη κοινότητα

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο «Ποσοτικοποίηση των ρόλων μεμονωμένων σταθμών εντός ομοιογενών περιοχών με χρήση σύνθετης ανάλυσης δικτύου, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Journal of Hydrology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από την Ankit Agarwal από το Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ, υπό τη στενή επίβλεψη των Norbert Marwan, Rathinasamy Maheswaran, Καθ. Bruno Merz και Καθ. Jürgen Kurths.