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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38781
Title: Causality and climate networks approaches for evaluating climate models, tracing flows, and selecting physically meaningful predictors
Authors: Vázquez Patiño, Angel Oswaldo
metadata.dc.contributor.advisor: Samaniego Alvarado, Esteban Patricio
metadata.dc.contributor.tutor: Campozano Parra, Lenin Vladimir
metadata.dc.ucuenca.correspondencia: angelvazquezp@gmail.com
metadata.dc.subject.other: Climatología
Keywords: Ingeniería Civil
Sudamérica
Redes climáticas
Control virtual
metadata.dc.audience.educationLevel: Tesis de Doctorado en Filosofía (PhD) en Recursos Hídricos
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: 25 Ciencias de la Tierra y del Espacio
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: 2502.03 Bioclimatología
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: 2502 Climatología
Issue Date: 14-Apr-2022
metadata.dc.format.extent: 138 páginas
Publisher: Universidad de Cuenca
metadata.dc.description.city: 
Cuenca
Series/Report no.: TPHD;14
metadata.dc.type: doctoralThesis
Abstract: 
Climate consists of many components, for example, atmosphere, hydrosphere, cryosphere, and biosphere. All the components act under mechanisms that relate them in a highly non-linear way, making the climate a complex system. This complexity is a challenge to study the climate and its implications at various spatiotemporal scales. However, the dependence of anthropogenic activities on the climate has encouraged its study in order, for example, to anticipate its periodic changes and, as far as possible, extreme events that may have adverse effects. As climate study is an intricate task, several approaches have been used to unravel the underlying processes that dominate its behavior. Those approaches range from linear correlation analysis to complex machine learning-based knowledge discovery analysis. This last approach has become more relevant after the introduction of sophisticated climate simulation models and high-tech equipment (e.g., satellite) that allow a climate record of greater coverage (spatial and temporal) and that, together, have generated ubiquitous large databases. One of the knowledge discovery approaches based on this big data is based on climate networks. Nevertheless, causal reasoning methods have also been used recently to infer and characterize these networks, which are called causal climate networks. Several studies have been carried out with climate networks; however, the recent introduction of causality methods makes the study of climate with causal climate networks an opportunity to explore and exploit them more widely. In addition, the particularities of the climate make it necessary to understand specific operational issues that must be taken into account when applying networks. This thesis aims to propose new methodologies and applications of causal climate networks following as a common thread the characterization of physical phenomena that manifest themselves at different spatial scales. For this, different case studies have been taken. They are the climate in South America and a large part of the Pacific and Atlantic oceans, then, reducing the scale, the surrounding factors that influence the rainfall of Ecuador, and, finally, the selection of predictors for downscaling models in an Andean basin. Among the main results are the following three. First, a methodology for evaluating global climate models based on what is called here as causal flows. Second, an approach that studies causal flows and helps trace influence paths in flow fields. Third, the presentation of evidence that shows the effectiveness of methods based on causality in selecting predictors for downscaling models. The thesis contributes to efforts to bridge the gap between the climate science and causal inference communities. This through the study and application of causal reasoning and taking advantage of the enormous amounts of climate data available today
Description: 
El clima está conformado por muchos componentes, por ejemplo, atmósfera, hidrósfera, criósfera y biósfera. Todos los componentes actúan bajo mecanismos que los relacionan de manera altamente no lineal lo que hace del clima un sistema complejo. Esta complejidad es un reto para estudiar el clima y sus implicaciones a varias escalas espacio temporales. No obstante, la dependencia de las actividades antropogénicas al clima, ha fomentado su estudio con el fin de, por ejemplo, anticiparse a sus cambios periódicos y, en lo sumo de lo posible, a eventos atípicos que puedan tener efectos negativos. Al ser el estudio del clima una tarea complicada, varios enfoques han sido utilizados con el fin de desentrañar los procesos subyacentes que dominan su comportamiento. Esos enfoques van desde el análisis de correlaciones lineales hasta complejos análisis de descubrimiento de conocimiento basados en aprendizaje automático. Este último enfoque ha tomado mayor relevancia luego de la introducción de sofisticados modelos de simulación climática y equipos de alta tecnología (e.g., satelitales) que permiten un registro climático de mayor cobertura y que, en conjunto, han generado la presencia ubicua de grandes bases de datos. Una de las aproximaciones de descubrimiento de conocimiento en base a estos grandes datos es la que se basa en redes climáticas. Pero últimamente se han aprovechado también métodos de razonamiento causal para la inferencia y caracterización de dichas redes, lo que se llama aquí como redes climáticas causales. Varios estudios se han llevado a cabo con redes climáticas, sin embargo, la reciente introducción de métodos de causalidad, hace del estudio del clima con redes climáticas causales una oportunidad para explorarlas y explotarlas de manera más amplia. Además, las particularidades del clima hacen que sea necesario entender cuestiones operativas puntuales que hay que tomar en cuenta al momento de aplicar redes. El objetivo entonces de esta tesis es proponer nuevas metodologías y aplicaciones de redes causales climáticas siguiendo como hilo conductor la caracterización de fenómenos físicos que se manifiestan a diferentes escalas espaciales. Para esto se tomaron como casos de estudio el clima en Sudamérica y gran parte de los océanos Pacífico y Atlántico, luego, reduciendo la escala, se analizaron factores circundantes que influyen en la lluvia del Ecuador y, finalmente, se estudió la selección de predictores para modelos de downscaling en una cuenca hidrográfica andina. Entre los principales resultados están los siguientes tres. Primero, una metodología de evaluación de modelos climáticos globales basada en lo que se denomina aquí como flujos causales. Segundo, un enfoque que estudia flujos causales y ayuda en el trazo de caminos de influencia en campos de flujos. Tercero, la presentación de evidencia que muestra la efectividad de métodos basados en causalidad en la selección de predictores para modelos de downscaling. La tesis contribuye a los esfuerzos para disminuir la brecha entre la comunidad climatológica y la que estudia el razonamiento causal mediante su aplicación y tomando ventaja de las masivas cantidades de datos climáticos disponibles hoy en día.
metadata.dc.description.degree: 
Doctor (PhD) en Recursos Hídricos
URI: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38781
Appears in Collections:Tesis Doctoral/PHD

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