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1 Caracas, September 28 2006 Universität Stuttgart Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie The use of copulas for the description of the spatial variability of environmental variables András Bárdossy Universität Stuttgart

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1Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

The use of copulas for the description of the spatial variability of environmental variables

András Bárdossy

Universität Stuttgart

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2Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

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Spatial patterns are not necessarily symmetrical

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5Caracas, September 28 2006

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Paul Klee: Copula

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6Caracas, September 28 2006

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Dependence

Goal: dependence between two variables: • To recognize• To quantify

Correlation (Signifikance Normal distribution)

Linear Regression

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

4

8

12

16

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8Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

4

8

12

16

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-4 -2 0 2 4

-4

-2

0

2

4

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Dependence changes through a Transformation of the Marginal distribution

Correlations between 0.4 and 0.8

Idea: take the same marginal distribution

Uniform in [0,1]

Transformation using the pdf

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13Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

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Dependence Marginal distributions

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Bivariate Distributions and Copulas

Bivariate Copula = bivariate pdf with uniform marginals

))(),((),( 21

211

121 uFuFFuuC

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Variable A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Var

iabl

e B

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Copulas are a new way of modelling the correlation structure between variables.

They dissociate the correlation structure from the marginal distributions of the individual variables.

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Entropy = measure of Information (Shannon)

Differential entropy:

Conditional Differential entropy

Interesting for „extreme“ (v large)

II

c dudvvucvucE ),()),(ln(

I

c dvvucvucuE ),()),(ln()(

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Multivariate Distributions and Copulas

Sklar (1959) all F pdf can be written in this form and C is unique if F is continuous

Measures of the dependence • Differential Entropy• Rank correlation (Spearman)• Kendalls tau

))(,),((),,( 111 KKK xFxFCxxF

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Copula density

n

nn

n xx

xxCxxc

...

),...,(),...,(

1

11

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21Caracas, September 28 2006

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Multivariate normal copula

Copula density:

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Normal copula

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Can copulas be used for the description of spatial variability ?

Do we need this ?

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24Caracas, September 28 2006

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Geostatistics

Z(x) Random function – Realisation z(xi)

Assumption – „uniform continuity“

No differences are known a-priori

Independent of the location – depends only on h

(Semi)Variogramm Covariance function

2

1

2

1

2uZhuZEuZhuZVarh

muZE

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Experimental Variogramm EC

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

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Spatial copulas

Assumption:• Multivariate copula exists for any

number of points

• The bi-variate marginal copulas corresponding to pairs separated by a vector h are translation invariant

• How to find such copulas ?

vZFuZFPvu zz ))((,))((),,( xhxhCS

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Empirical copulas

Set of pdf pairs corresponding to points separated by the vector h

Generalization of the variogram

Empirical density using kernel smoothing

hxxxxh iijnin ZFZFS |))(()),(()(

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Nitrat und Phosphat

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Copula Nitrate GW 5 km

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1.6

3.2

4.8

6.4

8

9.6

11.2

12.8

14.4

16

17.6

19.2

Q uantile Punkt x

Qu

an

tile

Pu

nkt

y

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Entropy: Nitrat 3000 m und 30000m

0 5 10 15 20 25

0.22

0.23

0.24

0.25

0.26

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Cl Variogramm

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Chloride concentration (mg/l)

0

200

400

600

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Copula pH groundwater

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

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pH Variogramm

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5.2 5.6 6 6.4 6.8 7.2 7.6 8 8.4 8.8 9.2 9.6

0

400

800

1200

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40Caracas, September 28 2006

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n-dimensional Chi-square copula

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Chi-Quadrat Copulas

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Testing the multivariate copulas

Analytically difficult due to the dependence of the pairs

Simulation and Bootstrap to compare bi-variate marginals to theoretiacal

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Summary and conclusions

Copulas offer an interesting alternative

Many natural variables show a non-Gaussian spatial dependence

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Thank you !

PS: I have another 253 slides to show – maybe next time !

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46Caracas, September 28 2006

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Indikator Variablen

Indikator variablen

sonst

CuuIC 0

falls1)(

)( falls0

)( falls1)(

uZ

uZuI

Indikator variogram

huu

ji

ji

uIuIhN

h 2* ))()(()(2

1)(

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Spatial dependence – 5 kmEvent 70

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 347

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

loca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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Spatial dependence – 5 kmEvent 159

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Radarniederschlag29. Dezember 2001 11:20-13:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

05101520253035404550556065707580859095100105110115120

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51Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula Radarniederschlag29. Dezember 2001 11:20-13:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

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52Caracas, September 28 2006

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Gauss – Chi-square

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4.5-4.1-3.7-3.3-2.9-2.5-2.1-1.7-1.3-0.9-0.5-0.10.30.71.11.51.92.32.73.13.53.94.3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4.5-4.1-3.7-3.3-2.9-2.5-2.1-1.7-1.3-0.9-0.5-0.10.30.71.11.51.92.32.73.13.53.94.3

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54Caracas, September 28 2006

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Statistische Tests

Problem: Paare sind nicht unabhängig

Deshalb klassische Tests nicht verwendbar

Lösung: Bootstrap

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55Caracas, September 28 2006

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Zusammenfassung

•Zusammenhänge können mit Copulas „einheitlich“ quantifiziert werden

•Viele natürliche Parameter zeigen assymetrische Zusammenhänge

•Diese Eigenschaft kann bei der räumlichen Betrachtung berücksichtigt werden

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Simulation results

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

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Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 71

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1P

reci

pita

tion

am

oun

t

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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59Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 117

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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60Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 348

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1P

reci

pita

tion

am

ou

nt

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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61Caracas, September 28 2006

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Asymmetrie des Zusammenhanges

Hohe Werte zeigen einen anderen Zusammenhang wie die niedrigen

u u

u u

dxdxyxc

dxdxyxc

uuC

uuCuA

0 0

1

1

1

1

),(

),(

),(

)1,1(21

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62Caracas, September 28 2006

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Empirische Copuladichten

Nitrat pH

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63Caracas, September 28 2006

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Radarniederschlag29. Dezember 2001 8:20-9:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

05101520253035404550556065707580859095100105110115120

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66Caracas, September 28 2006

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67Caracas, September 28 2006

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68Caracas, September 28 2006

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Niederschlag

Geeignete Copulas finden• Bessere Interpolation (HW relevant)• Theoretische

Gebietsabminderungsfunktionen• Simulationsmodelle mit beliebigen

Randverteilungen• Realistische Extreme über räumliche

und zeitliche Skalen ( Fraktale Modelle)

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69Caracas, September 28 2006

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Neckar Einzugsgebiet

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70Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

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71Caracas, September 28 2006

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Korrelation – Zusammenhang der Extreme (99,5%)

0.6 0.7 0.8 0.9 1Korrelation

8.4

8.6

8.8

9B

ed

ing

te D

iffe

ren

tia

len

tro

pie

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72Caracas, September 28 2006

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Zusammenfassung

Zusammenhaänge können mit Copulas beschrieben werden

Viele der Zusammenhänge in der Hydrologie sind asymmetrisch

Extreme sind of stärker abhängig als mittlere

Korrelation ist hierfür kein gutes Maß

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73Caracas, September 28 2006

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Introduction - ModellingHydrological modeling is necessary• Design

– Changes– Climate change– Land use change

– Unobserved catchments (PUB)• Forecasts• In combination with

– Quality– Ecology

• For understanding

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74Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Introduction - VariabilityVariability due to natural conditions• Weather

– Annual cycle– Random variability

• Catchment reaction– State– Output - discharge

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75Caracas, September 28 2006

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The Upper Neckar Catchment

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76Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence between discharge series

Cross correlations (Pearson)

Cross rank correlations (Spearman)

Copulas

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77Caracas, September 28 2006

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Dependence results

Cross correlations

0.66 – 0.95 for all pairs

>0.89 for the best pair for each site

Cross rank correlations

0.65 – 0.98 for all pairs

>0.88 for the best pair for each site

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78Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Variable A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Var

iabl

e B

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79Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence structure

Dependence between Quantiles instead of Variable values

Copula – Dependence separated from the Marginal distributions

),,(),,(

ondistributi m Unifor)1,0(,,

111

1

KKK

K

uUuUPuuC

UU

U

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80Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula density of the pair C8 and C9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

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81Caracas, September 28 2006

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Spatial dependence – 5 kmEvent 347

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

loca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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82Caracas, September 28 2006

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Spatial dependence – 5 kmEvent 159

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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83Caracas, September 28 2006

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Simulation models

Multivariate normal copulas

Non Gaussian copulas (non-central chi-square copulas)

Correct marginal distribution

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84Caracas, September 28 2006

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Copula density of a bivariate non-central chi-square distribution

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

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n-dimensional Chi-square copula

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86Caracas, September 28 2006

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Summary

Hydrological modeling is necessary

and difficult

Discharge series are similar

Events are different

Hydrological models small differences

Spatial resolution is not the answer

Spatial variability is partly responsible

Rainfall variability is “asymmetrical”

6100 6150 6200 6250 6300 6350

Tim e (days)

0

100

200

300

400

500

Dis

char

ge (

m3 /

s)

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87Caracas, September 28 2006

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Interpolation

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88Caracas, September 28 2006

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Radar Measurement

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89Caracas, September 28 2006

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Future work

Compare different sets of downscaled discharge extremes (3 versions)• Calculate spatial indices• Find appropriate copulas

Assess scenario dependent extremes

Develop new methodology for spatial extremes

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90Caracas, September 28 2006

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Variability of discharge

Distribution of discharge for a single site • Depends on the aggregation• Skewed distribution• Few maxima – due to precipitation

(snow melt)

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Natural Variability

Discharge series are similar because of the spatial extent of rainfall events.

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92Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

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93Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

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