This thesis presents the development and application of a downscaling framework for multi site simulation of daily rainfall. The rainfall simulation is achieved in two stages. First, rainfall occurrences at multiple sites are downscaled, which is followed by the generation of daily rainfall amounts at each site identified as wet. A continuous weather state based nonparametric downscaling model conditional on atmospheric predictors and a previous day average rainfall state is developed for simulation of multi site rainfall occurrences. A nonparametric kernel density approach is used for simulation of rainfall amounts at individual sites conditional on atmospheric variables and the previous day rainfall amount. The proposed model maintains spatial correlation of rainfall occurrences by simulating concurrently at all stations and of amounts by using random innovations that are spatially correlated yet serially independent. Temporal dependence is reproduced in the occurrence series by conditioning on previous day average wetness fraction and assuming the weather states to be Markovian, and in the amount series by conditioning on the previous day rainfall amount. The seasonal transition is maintained by simulating rainfall on a day-to-day basis using a moving window formulation. The developed downscaling framework is calibrated using the relevant atmospheric variables and rainfall records of 30 stations around Sydney, Australia. Results indicate a better representation of the spatio-temporal structure of the observed rainfall as compared to existing alternatives. Subsequently, the framework is applied to predict plausible changes in rainfall in warmer conditions using the same set of atmospheric variables for future climate obtained as a General Circulation Model simulation. While the case studies presented are restricted to a specific region, the downscaling model is designed to be useful in any generic catchment modelling and management activity and/or for investigating possible changes that might be experienced by hydrological, agricultural and ecological systems in future climates.

This dissertation presents a series of work related to the representation of the Hadley circulation (HC) in atmospheric reanalyses and general circulation models (GCMs), with connections to the underlying tropical and subtropical cloud systems that comprise the mean meridional circulation. An intercomparison of eight atmospheric reanalyses showed that significant variability exists in the mean state for HC intensity, with less variability in HC width. Ensemble trends were broadly consistent with previous work and suggest a strengthening and widening of the tropical circulation over the last 30 years. Composite profiles of the apparent heat source and moisture sink were calculated for the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) cloud regimes using sounding observations from 10 field campaigns. Distinct heating profiles were determined for each ISCCP cloud regime, ranging from strong, upper-tropospheric heating for mesoscale convective systems to integrated cooling for populations associated with marine stratus and stratocumulus clouds. The derived profiles were generally similar over land and ocean with the notable exception of the fair-weather cumulus regime, which leads to some uncertainty in the mid- and upper-level reconstruction of subtropical heating. An instrument simulator indicated that low-latitude cloud properties from the NASA MERRA reanalysis qualitatively matched the distributions of cloud-top pressure and optical thickness in the ISCCP data, though the tallest and thickest clouds were missing from the reanalysis. Simulator results were sensitive to the choice of cloud overlap parameterization and the reanalysis consistently underpredicted the observed cloud fractions for all regimes. The vertical velocity, temperature, and moisture for each regime in MERRA largely matched observations from previous studies, suggesting that the dynamic and thermodynamic properties of the cloud regimes are well captured by the reanalysis. Finally, HC interannual variability was examined as a function of the observed frequency of the ISCCP cloud regimes. The strongest HC overturning events were attributed to an El Niño response in the central Pacific Ocean in addition to links between the intensity and position of the Pacific ITCZ. The ISCCP regime describing the most vigorous and organized convection contributed the most towards the total anomalous heating during HC extremes, despite an overall low frequency of occurrence. Idealized GCM simulations forced with the observed three-dimensional diabatic heating from ISCCP data produced too strong a HC with some improvement in other fields. Overall, much progress has been made regarding the links between low-latitude cloud systems and the HC, though future work will continue to address the upscale feedbacks of regional cloud variations upon the tropical circulation.

The introduction of performance based tariff regulations along with higher media and political pressure have increased the need for well-performed risk and asset management applied to electric power distribution systems (DS), which is an infrastructure considered as a natural monopoly. Compared to other technical systems, DS have special characteristics which are important to consider. The Swedish regulation of DS tariffs between 1996 and 2012 is described together with complementary laws such as customer compensation for long outages. The regulator’s rule is to provide incentives for cost efficient operation with acceptable reliability and reasonable tariff levels. Another difficult task for the regulator is to settle the complexity, i.e. the balance between considering many details and the manageability. Two performed studies of the former regulatory model, included in this thesis, were part of the criticism that led to its fall. Furthermore, based on results from a project included here, initiated by the regulator to review a model to judge effectible costs, the regulator changed some initial plans concerning the upcoming regulation.   A classification of the risk management divided into separate categories is proposed partly based on a study investigating investment planning and risk management at a distribution system operator (DSO). A vulnerability analysis method using quantitative reliability analyses is introduced aimed to indicate how available resources could be better utilized and to evaluate whether additional security should be deployed for certain forecasted events. To evaluate the method, an application study has been performed based on hourly weather measurements and detailed failure reports over eight years for two DS. Months, weekdays and hours have been compared and the vulnerability of several weather phenomena has been evaluated. Of the weather phenomena studied, heavy snowfall and strong winds significantly affect the reliability, while frost, rain and snow depth have low or no impact. The main conclusion is that there is a need to implement new, more advanced, analysis methods. The thesis also provides a statistical validation method and introduces a new category of reliability indices, RT. / Distribution av elektricitet är att betrakta som ett naturligt monopol och är med stor sannolikhet det moderna samhällets viktigaste infrastruktur – och dess betydelse förutspås öka ytterligare i takt med implementering av teknik ämnad att minska mänsklighetens klimatpåverkan. I Sverige finns det fler än 150 elnätsbolag, vilka är av varierande storleksordning och med helt olika ägarstrukturer. Tidigare var handel med elektricitet integrerat i elnätsbolagens verksamhet, men 1996 avreglerades denna; infrastruktur för överföring separerades från produktion och handel. Införandet av kvalitetsreglering av elnätstariffer under början av 2000-talet och hårdare lagar om bland annat kundavbrottsersättning samt politiskt- och medialt tryck har givit incitament till kostnadseffektivitet med bibehållen god leveranskvalitet. En viktig aspekt är att eldistribution har, jämfört med andra infrastrukturer, flera speciella egenskaper som måste beaktas, vilket beskrives i avhandlingens första del tillsammans med introduktion av risk- och tillförlitlighetsteori samt ekonomisk teori.  Två studier som kan ha bidragit till den förra regleringens fall och en studie vars resultat ändrat reglermyndighetens initiala idé avseende modell för att beräkna påverkbara kostnader i kommande förhandsreglering från 2012 är inkluderade.   Av staten utsedd myndighet övervakar att kunder erbjudes elnätsanslutning och att tjänsten uppfyller kvalitetskrav samt att tariffnivåerna är skäliga och icke diskriminerande. Traditionellt har elnätsföretag mer eller mindre haft tillåtelse till intäkter motsvarande samtliga omkostnader och skälig vinst, så kallad självkostnadsprissättning. Under slutet av 1990-talet började ansvarig myndighet emellertid arbeta mot en reglering av intäktsram som även beaktar kostnadseffektivitet och kundkvalitet. Vid utformande av en sådan reglering måste svåra avvägningar göras. Exempelvis bör elnätsföretags objektiva förutsättningar, såsom terräng och kunder, tas i beaktning samtidigt som modellen bör vara lätthanterlig och konsekvent. Myndigheten ansåg ingen existerande reglermodell vara lämplig att anpassa till svenska förhållanden, så en ny modell utvecklades: Nätnyttomodellen (NNM). För 2003 års tariffer användes denna och beslut om krav på återbetalning till berörda elnätskunder togs, vilka överklagades. En utdragen juridisk process inleddes, där modellen kritiserades hårt av branschen på flera punkter. Två, i avhandlingen inkluderade studier, underbyggde kritisk argumentation mot NNM. Beslut i första instans (Länsrätt) hade inte tagits 2008 då parterna kom överens avseende år 2003-2007. Ett EU-direktiv tvingar Sverige att gå över till förhandsreglering, och i stället för att modifiera NNM och fortsätta strida juridiskt för den, togs beslut att ta fram en helt ny modell. Nätföretagens tillåtna intäktsram kommer förenklat grunda sig på elnätsföretagens kapitalkostnader och löpande kostnader. Därtill, utifrån hur effektivt och med vilken kvalitet nätföretagen bedrivit sin verksamhet, kan tillåten intäktsram justeras.   En systematisk beskrivning av ett elnätsföretags nuvarande riskhantering och investeringsstrategier för olika spänningsnivåer tillhandahålles med syfte att stödja elnätsföretag i utvecklandet av riskhantering och att ge akademiskt referensmaterial baserat på branscherfarenhet. En klassificering av riskhantering uppdelat i olika kategorier och en sårbarhetsanalysmetod samt en ny tillförlitlighetsindexkategori (RT) föreslås i avhandlingen, delvis baserat på genomförd studie. Sårbarhetsanalysens övergripande idé är att identifiera och utvärdera möjliga systemtillstånd med hjälp av kvantitativa tillförlitlighetsanalyser. Målet är att detta skall vara ett verktyg för att nyttja tillgängliga resurser effektivare, t.ex. förebyggande underhåll och semesterplanering samt för att bedöma om förebyggande åtgärder baserat på väderprognoser vore lämpligt. RT är en flexibel kategori av mått på sannolikhet för kundavbrott ≥T timmar, vilket exempelvis är användbart för analys av kundavbrottsersättningslagars påverkan; sådana har exempelvis införts i Sverige och UK under 2000-talet. En statistisk valideringsmetod av tillförlitlighetsindex har tagits fram för att uppskatta statistisk osäkerhet som funktion av antal mätdata ett tillförlitlighetsindexvärde är baseras på.   För att utvärdera introducerad sårbarhetsanalysmetod har en studie utförts baserat på timvisa väderdata och detaljerad avbrottsstatistik avseende åtta år för två olika eldistributionsnät i Sverige. Månader, veckodagar och timmar har jämförts vars resultat exempelvis kan användas för fördelning av resurser mer effektivt över tid. Sårbarhet med avseende på olika väderfenomen har utvärderats. Av de studerade väderfenomen är det blott ymnigt snöfall och hårda vindar, särskilt i kombination, som signifikant påverkar eldistributionssystems tillförlitlighet. Andra studier har visat på sårbarhet även för blixtnedslag (som ej fanns med som parameter i avhandlingen inkluderad studie). Temperatur (t.ex. inverkan av frost), regn och snödjup har således försumbar påverkan. Korrelationsstudier har utförts vilket bland annat visar på ett nästan linjärt samband i Sverige mellan temperatur och elförbrukning, vilket indirekt indikerar att även elförbrukning har försumbar påverkan på leveranskvalitet. Slutligen föreslås ett analysramverk som introducerad sårbarhetsanalys skulle vara en del av. Övergripande idé presenteras, vilket främst skall inspirera för fortsatt arbete; emellertid bör påpekas att introducerad sårbarhetsanalysmetod är en självständig och färdig metod oavsett om föreslagna idéer genomföres eller ej. / QC 20110815