Flood hazard in univariate and multivariate settings accounting for compound events

Floods are widespread natural hazards that cause a huge amount of damage every year worldwide. Univariate perspective is the basis for all the design and engineering procedures. The extreme precipitation is modelled and considered as unique main driver. Recent literature is highlighting that this approach can be erroneous and leading to an underestimate or overestimates of the flood risk. Extreme events are often caused by the combination and compound effect of more than one cause that interact in time or space. Events for which the combination of multiple drivers and/or hazards contributes to societal or environmental impacts are defined as Compound Event. Considering floods under multivariate perspective becomes essentials and conventional univariate statistical analysis cannot provide accurate information. "Which are the current missing points for a multivariate analysis of floods accounting for compound events?". This work of Thesis aim to address this question looking at the Flood Hazard from three different perspectives: theoretical, methodologies and operative procedures. Theoretical open issues about the multivariate analysis of floods are investigated. Considering a worldwide analysis spurious dependence has been found at the hydrograph scale among the pairwise hydrological characteristics (peak, duration, volume) using a mechanistic model. At regional scale, the spatial dependence among peaks has been investigated resulting to be a compound results of meteorological, climatological and hydrological causes. At basin scale, the study of asymmetry in the dependence due to causal links is investigated with the definition of a Conditional measures of Kendall’s Tau. Floods caused by compound events are analyzed giving an overlook of the possible methods for assessing causality and dependence subdivided on the base of the specific aim of the analysis. Guidelines of proper approaches for the study of each type of compound events are proposed. Finally, two feasibility studies are proposed to increasing the Hydro-meteorological measures in the territory: Commercial Microwaves Links can be used to retrieve precipitation measures and discharge levels can be derived from satellite data. In this work of Thesis, the dependence and causality issues are investigated proposing a comprehensive analysis of Flood Hazards into a multivariate perspective considering compound events also proposing new methodologies and approaches.

Eventi estremi come le alluvioni generano ogni anno ingenti danni sia dal punto di vista economico, danni agli edifici e perdite in termini di vite umane. Le procedure standard usate sia in idrologia che in fase di design e costruzione delle opere di difesa idraulica si basano sull’ analisi univariata. La precipitazione estrema è solitamente considerata e modellata come unica e principale causa. Recentemente, una nuova corrente di ricerca sta mettendo il luce il fatto che questo approccio possa portare spesso ad una sottostima o sovrastima del rischio di alluvione. Gli eventi estremi sono spesso generati dalla combinazione e dall'effetto composto di più di una causa che interagiscono nel tempo o nello spazio. Gli eventi che sono generati dalla combinazione di più variabili (driver) e che causano estremi impatti nel territorio a livello sociale o ambientale sono definiti come Eventi Composti. Le alluvioni sono spesso generate da eventi composti e lo studio in una prospettiva multivariata diventa essenziale in quanto l'analisi statistica univariata può fornire informazioni non accurate. "Quali sono attualmente gli aspetti ancora da esplorare in vista di uno studio delle alluvioni con una prospettiva multivariata e tenendo conto degli eventi composti?". Questo lavoro di tesi mira a rispondere a questa domanda guardando al Flood Hazard da tre diverse prospettive: teoretica, metodologie e procedure operative. Gli aspetti teorici riguardo l'analisi multivariata delle piene sono stati indagati. Considerando un dataset mondiale di portate, si è condotta un’analisi a livello di idrogramma calcolando le dipendenze a coppia tra le caratteristiche idrologiche (picco, durata, volume) dell’evento di piena. Utilizzando poi un modello idrologico si è trovata una dipendenza spuria tra le variabili. A scala regionale, l’analisi della dipendenza spaziale fra i picchi ha messo in luce che la dipendenza spaziale, anche a larga distanza, risulta correlata all’effetto composto di più cause: meteorologiche, climatologiche e idrologiche. A scala di bacino, si è studiato l’utilizzo di una versione condizionata della Kendall’s Tau per evidenziare la possibile asimmetria nella dipendenza nelle due direzioni se vi è un nesso causale, per esempio tra stazioni a monte e a valle. A livello più ampio, le alluvioni causate da eventi composti sono state analizzate evidenziando i possibili metodi attualmente applicati per valutare la dipendenza e la causalità, suddivisi in base allo scopo specifico dell’analisi. Inoltre, sono state fornite delle linee guida per guidare l’analisi degli eventi composti in maniera comprensiva, suggerendo i metodi più appropriati per ogni parte dell’analisi. Dal punto di vista più operativo, due studi di fattibilità sono stati eseguiti con lo scopo di aumentare le misure Idro-meteorologiche nel territorio. I collegamenti radio (Commercial Microwave Link) possono essere utilizzati per stimare le precipitazioni e dai dati satellitari si possono ottenere le misure di livello. In questo lavoro di tesi si indagano gli aspetti aperti di dipendenza e causalità per portare ad un'analisi completa dei rischi di inondazione in una prospettiva multivariata tenendo conto degli eventi composti.