<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" dtd-version="3.0"><?xmltex \makeatother\@nolinetrue\makeatletter?>
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">HESS</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Hydrology and Earth System Sciences</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">HESS</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Hydrol. Earth Syst. Sci.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1607-7938</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/hess-21-6219-2017</article-id><title-group><article-title>Moment-based metrics for global sensitivity analysis<?xmltex \hack{\break}?> of hydrological systems</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Global sensitivity analysis of hydrological systems}?><?xmltex \runningauthor{A.~Dell'Oca et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Dell'Oca</surname><given-names>Aronne</given-names></name>
          <email>aronne.delloca@polimi.it</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Riva</surname><given-names>Monica</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Guadagnini</surname><given-names>Alberto</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA), Politecnico di
Milano, Piazza L. Da Vinci, 32, 20133 Milan, Italy</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Department of Hydrology and Atmospheric Sciences, University of
Arizona, Tucson, Arizona, USA</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Aronne Dell'Oca (aronne.delloca@polimi.it)</corresp></author-notes><pub-date><day>8</day><month>December</month><year>2017</year></pub-date>
      
      <volume>21</volume>
      <issue>12</issue>
      <fpage>6219</fpage><lpage>6234</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>15</day><month>February</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>6</day><month>March</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>23</day><month>August</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>10</day><month>October</month><year>2017</year></date>
      </history>
      <permissions>
        
        
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017.html">This article is available from https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017.pdf</self-uri>
      <abstract>
    <p id="d1e104">We propose new metrics to assist global sensitivity analysis, GSA, of
hydrological and Earth systems. Our approach allows assessing the impact of
uncertain parameters on main features of the probability density function,
pdf, of a target model output, <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. These include the expected value
of <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the spread around the mean and the degree of symmetry and tailedness
of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Since reliable assessment of higher-order
statistical moments can be computationally demanding, we couple our GSA
approach with a surrogate model, approximating the full model response at a
reduced computational cost. Here, we consider the generalized polynomial chaos expansion (gPCE), other model reduction techniques being fully
compatible with our theoretical framework. We demonstrate our approach
through three test cases, including an analytical benchmark, a simplified
scenario mimicking pumping in a coastal aquifer and a laboratory-scale
conservative transport experiment. Our results allow ascertaining which
parameters can impact some moments of the model output pdf while
being uninfluential to others. We also investigate the error associated with
the evaluation of our sensitivity metrics by replacing the original system
model through a gPCE. Our results indicate that the construction of a
surrogate model with increasing level of accuracy might be required depending
on the statistical moment considered in the GSA. The approach is fully
compatible with (and can assist the development of) analysis techniques
employed in the context of reduction of model complexity, model calibration,
design of experiment, uncertainty quantification and risk
assessment.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?><?xmltex \hack{\newpage}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p id="d1e138">Our improved understanding of physical–chemical mechanisms governing
hydrological processes on multiple scales of space and time and the ever
increasing power of modern computational resources are at the heart of the
formulation of conceptual models which are frequently characterized by
marked levels of sophistication and complexity. This is evident when one
considers the spectrum of mathematical formulations and ensuing level of
model parametrization rendering our conceptual understanding of given
environmental scenarios (Willmann et al., 2006; Grauso et al., 2008;
Koutsoyiannis, 2010; Wagener et al., 2010; Elshorbagy et al., 2010a, b;
Wagener and Montanari, 2011; Hartmann et al., 2013; Herman et al., 2013;
Förster et al., 2014; Paniconi and Putti, 2015). Model complexity can in
turn exacerbate challenges associated with the need to quantify the way
uncertainties associated with parameters of a given model propagate to
target state variables.</p>
      <p id="d1e141">In this context, approaches based on rigorous sensitivity analysis are
valuable tools to improve our ability to (i) quantify uncertainty, (ii) enhance
our understanding of the relationships between model input and outputs and
(iii) tackle the challenges of model- and data-driven design of experiments.
These also offer insights to guide model simplification, for example, by
identifying model input parameters that have negligible effects on a target
output. The variety of available sensitivity methodologies can be roughly
subdivided into two broad categories, i.e., local and global approaches.
Local sensitivity analyses consider the variation of a model output against
variations of model input solely in the neighborhood of a given set of
parameter values. Otherwise, global sensitivity analysis (GSA) quantifies
model sensitivity across the complete support within which model parameters
can vary. Error measurements and/or lack of knowledge about parameters can
be naturally accommodated in a GSA by specifying appropriate parameter
intervals and evaluating sensitivity over the complete parameter space.
Recent studies and reviews on available sensitivity analysis and approaches
are offered by, e.g., Pianosi et al. (2016), Sarrazin et al. (2016) and
Razavi and Gupta (2015).</p>
      <p id="d1e144">Our study is framed in the context of GSA methods. A broadly recognized
strategy to quantify global sensitivity of uncertain model parameters to
model outputs relies on the evaluation of the Sobol' indices (Sobol, 1993).
These are typically referred to as variance-based sensitivity measures
because the output variance is taken as the metric upon which sensitivity is
quantified. A key limitation of a variance-based GSA is that the uncertainty
of the output is implicitly considered to be fully characterized by its
variance. Relying solely on this criterion can provide an incomplete picture
of a system response to model parameters, also considering that probability
densities of typical hydrological quantities can be characterized by highly
skewed and tailed distributions (e.g., Borgonovo et al., 2011). Recent
studies (e.g., Krykacz-Hausmann, 2001; Borgonovo, 2007; Borgonovo et al.,
2011) introduced a sensitivity metric grounded on the complete probability
density function, pdf, of the model output. These so-called moment-independent
analyses may suffer from operational constraints because a robust
evaluation of the complete pdf may require a number of model runs which is
computationally unaffordable. The PAWN method developed by Pianosi and
Wagener (2015) attempts to overcome this limitation introducing a
sensitivity metric based on the cumulative density function, which can
potentially be estimated more robustly than its associated pdf for a given
sample size.</p>
      <p id="d1e147">It is clear that while a variance-based GSA can be favored for its
conceptual simplicity and ease of implementation, and variance can be
considered in some cases as an adequate proxy of the spread around the mean,
it does not yield a forthright quantification of the way variations of a
parameter can affect the structure of the pdf of a target model output.
Otherwise, moment-independent methodologies condense sensitivity of the
entire pdf in only one index, somehow shadowing our understanding of how the
structure of the pdf is affected by variations of each uncertain model
parameter. Here, our distinctive objective is to contribute to bridge the
gap between these two types of GSA. We do so by introducing theoretical
elements and an implementation strategy which enable us to appraise
parameter sensitivity through the joint use of sensitivity indices based on
four (statistical) moments of the pdf of the model output: expected value,
variance, skewness and kurtosis. The key idea at the basis of this strategy
is that linking parameter sensitivity to multiple statistical moments leads
to improved understanding of the way a given uncertain parameter can govern
key features of the shape of the pdf of desired model outputs, which is of
interest in modern applications of hydrological and Earth sciences.</p>
      <p id="d1e151">Variance-based GSA has also been applied (a) to guide reduction of model
complexity, e.g., by setting the value of a parameter which is deemed as
uninfluential to the variance of a target model output (e.g., Fu et al.,
2012; Chu et al., 2015; Punzo et al., 2015) and (b) in the context of
uncertainty quantification (Saltelli et al., 2008; Pianosi et al., 2016;
Colombo et al., 2016). Only limited attention has been devoted to assessing the
relative effects of uncertain model parameters to the first four statistical
moments of the target model output. This information would complement a model
complexity analysis by introducing a quantification of the impact that
conditioning the process on prescribed parameter values would have on the
first four statistical moments of the output. Our approach is based on the
joint use of multiple (statistical) moments for GSA. It enables us to
address the following critical questions: when can the variance be
considered as a reliable proxy for characterizing model output uncertainty?
Which model parameter most affects asymmetry and/or the tailing behavior
of a model output pdf? Does a given model parameter have a marked role in
controlling some of the first four statistical moments of the model output,
while being uninfluential to others? Addressing these questions would
contribute to prioritizing our efforts to characterize model parameters that
are most relevant in affecting important aspects of model prediction
uncertainty.</p>
      <p id="d1e154">Even as the richness of information content that a GSA grounded on the first
four statistical moments might carry can be a significant added value to our
system understanding, it may sometimes be challenging to obtain robust and
stable evaluation of the proposed metrics for complex and computationally
demanding models. This can be especially true when considering higher-order
moments such as skewness and kurtosis. To overcome this difficulty, we cast
the problem within a computationally tractable framework and rely on the use
of surrogate models that mimic the full model response with a reduced
computational burden. Amongst the diverse available techniques to construct
a surrogate model (see, e.g., Razavi et al., 2012a, b), we exemplify our
approach by considering the generalized polynomial chaos expansion (gPCE)
that has been successfully applied to a variety of complex environmental
problems (Sudret, 2008; Ciriello et al., 2013; Formaggia et al., 2013; Riva
et al., 2015; Gläser et al., 2016), other model reduction techniques
being fully compatible with our GSA framework. In this context, we also
investigate the error associated with the evaluation of the sensitivity
metrics we propose by replacing the original (full) system model with the
selected surrogate model. We consider three test cases in our analysis.
These include a widely employed analytical benchmark, a pumping scenario in
a coastal aquifers and a laboratory-scale transport setting. The remainder
of the work is organized as follows. Section 2 presents our theoretical
framework and developments. Section 3 illustrates our results for the three
test cases indicated above, and conclusions are drawn in Sect. 4.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>Theoretical framework</title>
      <p id="d1e163">We start by recalling the widely used variance-based GSA metrics in Sect. 2.1. These allow quantifying the contribution of each uncertain parameter to
the total variance of a state variable of interest. We also provide a brief
overview of the gPCE technique,
which we use to construct a surrogate of the full system model. We then
illustrate in Sect. 2.2 the theoretical developments underlying our
approach and introduce novel GSA indices.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <title>Sobol' indices for variance-based GSA and generalized polynomial chaos expansion</title>
      <p id="d1e171">We consider a target system state variable, <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which depends on <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> random
parameters. These are collected in vector <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and defined in the parameter space <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being the support of the <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th random variable <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Variance-based GSA approaches consider variance as the sole metric to
quantify the contribution of each uncertain parameter to the uncertainty of
<inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Iman and Hora (1990) introduce the following index
            <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math id="M16" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">HI</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>[-] and <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>[-], respectively, denote expectation and variance operators. Index
<inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">HI</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quantifies the expected reduction of variance due to
knowledge of <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the notation <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (1) indicates
conditioning on <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A similar measure is offered by the widely used
Sobol' indices (Sobol, 1993). These have been defined starting from the
Hoeffding–Sobol' decomposition (see, e.g., Sobol, 1993; Le Maître and
Knio, 2010) of <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a collection of independent random variables such as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M25" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M26" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and so on, <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
being the pdf of <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The
integral <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (3) represents integration of
<inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over the space of all entries of vector <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> excluding <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being the corresponding pdf. The Sobol' index
<inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is associated with
the mixed effect of <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the
variance of <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>[<inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>], and can be computed as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M39" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The principal and total Sobol' indices are, respectively, defined as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M40" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> describes the relative contribution to <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> due to variability of only <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Otherwise, <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
quantifies the total contribution of <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, including
all terms where <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears. In other words, <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also
includes interactions between <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the remaining uncertain parameters,
collected in vector <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that according to Eqs. (1), (2)
and (5)
            <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math id="M51" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">HI</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          i.e., the principal Sobol' index represents the relative expected reduction
of process variance due to knowledge of (or conditioning on) a parameter.
Sobol' indices are commonly evaluated via Monte Carlo quadrature schemes
that can be markedly demanding in terms of computational time, especially
for complex and highly nonlinear settings. Relying on a gPCE as a surrogate of the full mathematical
model of the system (Ghanem and Spanos, 1991; Xiu and Karniadakis, 2002; Le
Maitre and Knio, 2010; Formaggia et al., 2013; Ciriello et al., 2013; Riva
et al., 2015) allows for reducing the computational burden associated with GSA
techniques. The process <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is represented as a linear combination of
multivariate polynomials, <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M54" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hspace{8mm}}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a
multi-index expressing the degree of each univariate polynomial, <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the gPCE coefficients;
<inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains all indices such that only the <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component does not
vanish; <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains all indices such that only the <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th and <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th
components are not zero, and so on. Note that <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; i.e., <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unconditional mean of <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Finally, the Sobol'
indices Eqs. (4)–(5) and the variance of <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be computed from Eq. (8) as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M67" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℑ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <title>New metrics for multiple-moment GSA</title>
      <p id="d1e2480">We introduce new metrics to quantify the expected relative change of main
features of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to variability of model input parameters. In
contrast with traditional variance-based GSA techniques of the kind
described in Sect. 2.1, we quantify changes in the pdf of <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> through its first
four statistical moments, i.e., mean, <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, variance, <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, skewness,
<inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The latter is an indicator of the
behavior of the tails of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and  is particularly useful in the context
of risk analysis, while <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quantifies the asymmetry of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e2582">The effect of changes of <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the mean of <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> cannot be systematically analyzed
by the metrics currently available in the literature. We therefore introduce
the following quantity

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M79" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\vspace{5mm}}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being defined in Eq. (3). Extension of Eq. (10) to consider the
joint effect of <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the mean of <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
straightforward, leading to the following index

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M83" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{7.8}{7.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{\vspace{5mm}}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that index AMAE<inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> quantifies the expected relative variation
of the mean of <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to variations of only <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while AMAE<inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also includes all interactions amongst parameters
<inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3503">Along the same lines, we introduce the following index

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M89" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAV</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            quantifying the relative expected discrepancy between unconditional and
conditional (on <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process variance. Note that Eq. (12) does not
generally coincide with the principal Sobol' index <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (2)
that quantifies the expected relative reduction of the variance due to
knowledge of <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or, in other words, the relative contribution to the
variance arising from uncertainty in <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Index AMAV<inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> reduces to <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only if the conditional variance, <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is always (i.e., for each value of <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> smaller than (or equal to)
its unconditional counterpart <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The difference between
AMAV<inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as well as advantages of using
AMAV<inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, will be elucidated through the numerical examples
illustrated in Sect. 3. Extension of Eq. (12) to consider the joint effect
of <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reads

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M103" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAV</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.8}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.8}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Index AMAV<inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quantifies the expected
relative discrepancy between <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the variance of the
process conditional to joint knowledge of <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e4196">We then quantify the relative expected discrepancy between unconditional,
<inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and conditional, <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, skewness through
the index

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M109" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><?xmltex \hack{\vspace{5mm}}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Extension of Eq. (14) to consider the joint effect of <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M111" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{7.7}{7.7}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><?xmltex \hack{\hspace{15mm}}?><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><?xmltex \hack{\vspace{5mm}}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced></mml:mfenced><?xmltex \hack{\hspace{33mm}}?><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The relative variation of the kurtosis of <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to variations of a parameter
<inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or of the parameter set <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
can be, respectively, quantified through

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M115" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M116" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.7}{8.7}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E17"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.7}{8.7}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>y</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Relying jointly on Eqs. (10)–(17) enables one to perform a comprehensive GSA
of the target process <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quantifying the impact of <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the first
four (statistical) moments of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This strategy yields
information about the way important elements of the distribution of
<inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such as mean, spread around the mean, symmetry and
tailedness, are affected by uncertain model parameters collected in the
parameter vector <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This analysis is not feasible through a classical
variance-based GSA.</p>
      <p id="d1e5514">Calculation of the indices we propose entails evaluation of conditional
moments of <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This step can be computationally very demanding.
Along the lines of our discussion about Sobol' indices in Sect. 2.1, the
new metrics Eqs. (10)–(17) can be evaluated via a surrogate model, as we
illustrate through our examples in Sect. 3.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Illustrative examples</title>
      <p id="d1e5538">The theoretical framework introduced in Sect. 2 is here applied to three
diverse test beds: (a) the Ishigami function, which constitutes an analytical
benchmark typically employed in GSA studies; (b) a pumping scenario in a
coastal aquifer, where the state variable of interest is the critical
pumping rate, i.e., the largest admissible pumping rate to ensure that the
extraction well is still not contaminated by seawater; and (c) a
laboratory-scale setting associated with non-reactive transport in porous
media. In the first two examples the relatively low computational costs
associated with the complete mathematical description of the target outputs
enables us to assess the error associated with the evaluation of
indices Eqs. (10), (12), (14) and (16) through a gPCE
representation of the output. In the third case, due to the complexity of
the problem and the associated computational costs, we rely on the gPCE
representation for the target quantity of interest. We emphasize that the
use of a gPCE as a surrogate model is here considered only as an example, as
our GSA approach is fully compatible with any full model and/or model
order reduction technique. A critical limiting factor to our and any GSA
approach could be the associated computational burden. This is
expected to increase according to the following two features, which are
mainly associated with the conceptual and mathematical model used to
describe the target variables of interest: (a) the complexity of the
hydrological system (in terms of, e.g., hydrogeological heterogeneity,
nonlinearity and/or transient effects) and/or (b) the number of uncertain
model input parameters considered. According to the relative weight of these
features, some computational constraints might arise limiting our ability to
(i) perform the analysis by relying exclusively on the full system model or
(ii) construct a sufficiently accurate surrogate model through a number of
full model runs that can be affordable in terms of available computational
resources. Application of our GSA methodology to scenarios of increased
level of complexity will be the subject of a future study.</p>
      <p id="d1e5541">In all of the above scenarios, uncertain parameters <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> collected in
<inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> are considered as independent and identically distributed, i.i.d., random
variables, each characterized by a uniform distribution within the interval
<inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that varying
the pdf of the uncertain model input parameters does not impact the definition
of the GSA indices proposed in Sect. 2. Otherwise, it may affect the
actual results, depending on the test case considered. All results are
grounded on <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Monte Carlo realizations, enabling convergence
of all statistical moments analyzed. Series appearing in the gPCE Eq. (8)
are evaluated up to a given order of truncation in all three examples. Here,
we apply the total-degree rule and construct a polynomial of order <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> through
a sparse grid technique (see, e.g., Formaggia et al., 2013, and references
therein). We then analyze the way the selected order <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> influences the
results. Note that the optimal choice of the polynomial <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (8) depends on the pdf of the random variables collected
in <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Xiu and Karniadakis, 2002). In our exemplary settings we use the
multidimensional Legendre polynomials which are orthonormal with respect to
the uniform pdf.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>Ishigami function</title>
      <p id="d1e5661">The nonlinear and non-monotonic Ishigami function

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M131" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtext>ISH</mml:mtext><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            is widely used in the literature (e.g., Homma and Saltelli, 1996; Chun et
al., 2000; Borgonovo, 2007; Sudret, 2008; Crestaux et al., 2009; Borgonovo
et al. 2011) to benchmark GSA methods. Here, <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2, 3) are
i.i.d. random variables uniformly distributed within the interval [0, 1].
Unconditional mean <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, variance, <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, skewness, <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of Eq. (18) can be evaluated analytically as

                <disp-formula id="Ch1.E19" specific-use="align" content-type="subnumberedon"><mml:math id="M138" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="subnumberedoff"><mml:math id="M139" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="." close=""><mml:mfenced close="]" open="."><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">68</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="." close="}"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equation (19) reveals that the unconditional pdf of ISH is symmetric with tails
that increase with <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and decrease with <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
as quantified by <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The conditional mean <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, variance <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
skewness <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and kurtosis <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be evaluated analytically as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M147" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M148" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">225</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">cos</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msup><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">in</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4875</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E21"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hspace{8mm}}?><mml:mfenced open="." close="}"><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1849</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5525</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msup><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow class="chem"><mml:mi mathvariant="normal">in</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hspace{8mm}}?><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">68</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hspace{8mm}}?><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{7.4}{7.4}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For the sole purpose of illustrating our approach, here and in the following
we set <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 5 and <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 0.1, which corresponds to <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10.84</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4.18</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Figure 1
depicts the first four moments of ISH conditional to values of <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue
curves), <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves) and <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green curves) within the
parameter space. The corresponding unconditional moments (black curves) are
also depicted for completeness.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><caption><p id="d1e7218">Variation of the first four moments of ISH Eq. (18) conditional to
values of <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves), <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves) and <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green
curves) within the parameter space: <bold>(a)</bold> expected value, <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis,
<inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, (<inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2, 3). The corresponding
unconditional moments (black curves) are also depicted.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f01.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e7356">Comparing Eqs. (19a) and (20), it is seen that <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with its unconditional counterpart <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicating that conditioning on any value of <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not
impact the mean of ISH. Otherwise, setting <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to a given
value clearly affects the mean of ISH in a way which is governed by Eq. (20)
and shown in Fig. 1a. It is clear from Eq. (20) that <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a higher frequency of oscillation within <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> than <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has within <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The global index in Eq. (10) can be evaluated analytically as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M174" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that AMAE<inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> does not depend on specific values of <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e7621">Equation (21) shows that all random model parameters influence the variance
of ISH, albeit to different extents, as also illustrated in Fig. 1b. Note that
<inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always smaller than <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (compare Eqs. 19a and 21) and does not depend on <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
i.e., conditioning ISH on <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reduces the process variance regardless
the conditioning value. Otherwise, <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can
be significantly larger or smaller than its unconditional counterpart. Table 1 lists values of AMAV<inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed via Eq. (12) with the <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> values selected for our
demonstration. The principal Sobol' indices (Sudret, 2008)

                <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><mml:math id="M189" display="block"><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          are also listed for completeness. As expected, values of AMAV<inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> listed in Table 1 suggest that conditioning on <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the strongest
impact on the variance of ISH, followed by <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that
<inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 0, a result which might be interpreted as a symptom that
ISH is insensitive to <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The apparent inconsistency between the
conclusions which could be drawn by analyzing AMAV<inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is reconciled by the observation that the function <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be positive and negative in a
way that its integration over <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vanishes (see also Fig. 1b). Therefore, the mean reduction of the variance of ISH due to knowledge of
(or conditioning on) <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is zero. We note that this observation
does not imply that the variance of ISH does not vary with <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as clearly
highlighted by Fig. 1b and quantified by AMAV<inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1"><caption><p id="d1e8041">Global sensitivity index AMAE<inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> Eq. (10), AMAV<inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> Eq. (12), AMA<inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (14) and AMA<inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (16)
associated with the Ishigami function Eq. (18). Principal Sobol' indices,
<inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (7), are also listed; <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2">AMAE<inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">AMAV<inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">AMA<inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">AMA<inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.75</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.40</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.40</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.45</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.37</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.64</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.29</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.29</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.00</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.33</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.00</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.84</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.00</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.00</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.53</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d1e8359">The symmetry of the pdf of ISH is not affected by conditioning on <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or
<inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as demonstrated by Eq. (22). Otherwise, <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is left (or right) skewed when <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is smaller (or
larger) than 0.5, as dictated by Eq. (22) and shown in Fig. 1c.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p id="d1e8415">Error <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (26) versus the total degree <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE
representation of ISH for <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> AMAE<inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> AMAV<inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>,
<bold>(c)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(d)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(blue curves), <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves), <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green curves). Note
that AMAE<inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is always smaller than 0.001 %. Average slopes of the
rate of decrease of <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the largest <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> values considered are
indicated as a reference in <bold>(b–d)</bold>.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f02.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e8597">The conditional kurtosis <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not depend
on the conditioning value <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Eq. 23). We then note that this
conditional moment is always larger than (or equal to) its unconditional
counterpart <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, regardless of the particular values
assigned to <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as we verified through extensive numerical tests. This
result implies that the pdf of ISH conditional on <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is characterized by
tails which are heavier than those of its unconditional counterpart. Figure 1d reveals that <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are smaller than <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">ISH</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the values of
<inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> implemented in this example. Table 1 lists the resulting values of
AMA<inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the
selected <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> values.</p>
      <p id="d1e8799">We close this part of the study by investigating the error which would arise
when one evaluates our GSA indices by replacing ISH through a gPCE surrogate
model. We do so on the basis of the absolute relative error
            <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><mml:math id="M253" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">gPCE</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">full</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">model</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">full</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">model</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\vspace{2mm}}?><mml:mtext mathvariant="normal">if</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">full</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">model</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">gPCE</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">full</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">model</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">full</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">model</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, AMAV<inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, AMA<inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or
AMA<inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; the subscripts full model and gPCE, respectively, indicate that quantity <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
evaluated via Eq. (18) or through a gPCE surrogate model, constructed as
outlined in Sect. 2.1. Figure 2 depicts Eq. (26) versus the total degree
<inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE. Note that the lower limit of the vertical axis of Fig. 2 is
set to 0.001 % for convenience of graphical representation. Approximation
errors associated with GSA indices related to the mean, AMAE<inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>,
rapidly approach zero as <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases. Note that <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAE</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
smaller than 0.001 % for all tested values of <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and it is therefore not
included in Fig. 2a. Values of <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> linked to AMAV<inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>,
AMA<inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and AMA<inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not show a
consistently decreasing trend until <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mo>≥</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5. Values of
<inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> associated with the variance, skewness and kurtosis decrease with
approximately the same average linear rate (in log–log scale) for the
largest <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> considered (Fig. 2b, c and d). This example reinforces the need
for reliably testing the accuracy of a gPCE-based model approximation as a
function of the total degree desired, depending on the statistical moment of
interest. Note that a generalization of our findings about the error (Eq. 26) is
outside the scope of the current study. This would require the derivation of
(a) the analytical format of the pdf of a target model output through its gPCE-based approximation at a given order <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see, e.g., Riva et al., 2015) and
(b) the corresponding pdf resulting from the full system model (e.g., by
formulating and solving exact equations for the target pdf, or its moments,
typically invoking problem-specific assumptions).</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T2"><caption><p id="d1e9179">Intervals of variations of <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="2">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">[0.01–0.1]</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">[8 <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10<inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10<inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">[10–33]</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><caption><p id="d1e9384">Sketch of the critical pumping scenario taking place within a
coastal aquifer of thickness <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A constant freshwater (in blue) flux,
<inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, flows from the inland to the coastline (saltwater in red). A
constant discharge, <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is pumped from a fully penetrating well
located at a distance <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the coastline. Color scale
indicating variable concentration of salt is only qualitative for
illustration purposes.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f03.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><caption><p id="d1e9448">First four moments of <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (27) conditional to values of
<inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves), <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green curves) and <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves)
within the parameter space: <bold>(a)</bold> expected value, <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis,
<inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, (<inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The corresponding unconditional moments (black curves) are also
depicted. Intervals of variation of <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been
rescaled between 0 and 1 for graphical representation purposes.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f04.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>Critical pumping rate in coastal aquifers</title>
      <p id="d1e9675">The example we consider here is taken from the study of Pool and Carrera (2011) related to the analysis of salt water contamination of a pumping well
operating in a homogenous confined coastal aquifer of uniform thickness
<inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The setting is sketched in Fig. 3. A constant discharge, <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [L<inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> T<inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>], is pumped from a fully penetrating well located at a
distance <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [L] from the coastline, and a constant freshwater flux,
<inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [L T<inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>], flowing from the inland to the coastline, is set.
Pool and Carrera (2011) introduced a dimensionless well discharge <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and defined the critical pumping
rate <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the value of <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at which a normalized solute
concentration monitored at the well exceeds 0.1 %. A key result of the
study of Pool and Carrera (2011) is that <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be approximated
through the following implicit equation:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M316" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mtext>ln</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtext>with</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> [L T<inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>] is the uniform hydraulic conductivity; <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [L] is transverse dispersivity; <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
fresh and saltwater densities, respectively. The quantity <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a
measure of the intensity of dispersive effects, <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the natural head
gradient of the incoming freshwater and <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the dimensionless
distance of the well from the coastline. Pool and Carrera (2011)
demonstrated the accuracy of Eq. (27) in predicting the critical pumping
rate when <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Additional details about the problem
setting, boundary and initial conditions, as well as geometrical
configuration of the system, can be found in Pool and Carrera (2011). Here,
we focus on the main result of Eq. (27) which represents the complete
mathematical description of the problem we analyze. We perform a sensitivity
analysis of <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. While the
first two quantities are difficult to assess experimentally in practical
applications, the well location can be considered as an operational/design
variable. Table 2 lists the intervals of variation we consider for <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These are designed to (a) resemble realistic field values
and (b) obey the above-mentioned constraint about <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e10351">Numerical evaluation of the first four unconditional statistical moment of
<inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields a mean value <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.65</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, variance
<inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.17</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, skewness <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (which indicates a light asymmetry in the pdf) and kurtosis
<inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.51</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (i.e., pdf tails decrease faster than those of a
Gaussian distribution). Figure 4 depicts the first four moments of <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
conditional to values of <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves), <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green curves) and
<inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves) within the parameter space. The corresponding
unconditional moments (black curves) are also depicted for completeness.
Note that each parameter interval of variation has been normalized to span
the range [0, 1] for graphical representation purposes. Table 3 lists the
values of indices AMAE<inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>  AMAV<inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, AMA<inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and AMA<inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> associated with <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As in our first example, it is clear
that sensitivity of <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>with respect to <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on
the statistical moment of interest.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T3"><caption><p id="d1e10651">Global sensitivity index AMAE<inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> Eq. (10), AMAV<inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> Eq. (12), AMA<inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (14) and AMA<inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (16)
associated with the critical pumping rate <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (27). Principal Sobol'
indices, <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (7), are also listed; <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2">AMAE<inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">AMAV<inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">AMA<inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">AMA<inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.07</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.14</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.09</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.35</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.09</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.14</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.41</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.41</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.88</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.12</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">0.15</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">0.48</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">0.48</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">0.78</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col6">0.11</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5" specific-use="star"><caption><p id="d1e10979">Error <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (26) versus total degree <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE
representation of <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> AMAE<inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>,
<bold>(b)</bold> AMAV<inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi/><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(d)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves), <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> (red curves), <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green
curves).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f05.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e11135">Inspection of Fig. 4a reveals that the mean of <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is more sensitive to
conditioning on <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> than to conditioning on <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that
increasing <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., considering advection-dominated scenarios, leads
to an increase of the mean value of <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is so because the
dispersion of the intruding saltwater wedge is diminished and the travel
time of solutes to the well tends to increase. High values of the natural
head gradient of the incoming freshwater, <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>,  are associated with high mean
values of <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is consistent with the observation that the inland
penetration of the wedge is contrasted by the effect of freshwater which
flows in the opposite direction. As expected, decreasing <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (moving
the pumping well towards the coast) leads to a reduction of the mean value
of <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Figure 4a shows that mean <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> varies with <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in
a similar way. This outcome is consistent with Eq. (27) where <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
depends on the product <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., increasing <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> has the same
effect on <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e11329">It can be noted (see Table 3) that AMAE<inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is smaller than
AMAE<inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and AMAE<inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, consistent with Fig. 4a. Figure 4b shows
that the variance of <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decreases as <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> increase.
This trend suggests that the uncertainty of <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as quantified by the
variance, decreases as (i) the intruding wedge sharpens or is pushed toward
the seaside boundary by the incoming freshwater or (ii) the well is placed at
increasing distance from the coastline. Inspection of Fig. 4c–d shows
that conditioning on <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> causes the pdf of <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to
become less asymmetric and less tailed than its unconditional counterpart.
This behavior suggests that the relative frequency of occurrence of (high or
low) extreme values of <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tends to decrease as additional information
about the model parameters become available.</p>
      <p id="d1e11477">Figure 5 depicts error, <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. (26)), versus total degree, <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of the
gPCE representation of <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (a) AMAE<inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, (b) AMAV<inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, (c) AMA<inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (d) AMA<inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(<inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue curves; <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, red curves; <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
green curves). These results indicate that (i) <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> associated with
AMAE<inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is negligible (<inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 %) even for low <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>; (ii) <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAV</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 10 % for <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 2 and rapidly decreases to
values below 1 % for increasing <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>; (iii) <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAV</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">AMAV</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are always smaller than 1 %; and (iv) the trend of <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is similar to that of <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">AMA</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for all <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with values of the order of 10 % or higher for <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 2
and displaying a decrease with increasing <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> which then stabilizes around values
smaller than 1 % when <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 4 or 5. We note that the absolute
relative error (Eq. 26) for AMAE<inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> with a given value of <inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
always lower than errors associated with higher-order moments. Similar to
our results in Sect. 3.1, it is clear from Fig. 5 that attaining a given
level of accuracy for the gPCE-based indices for <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> requires
considering a diverse total order <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE depending on the order of the
statistical moment considered. As such, following the typical practice of
assessing the reliability of a gPCE surrogate model solely on the basis of
the variance or of a few random model realizations does not guarantee
satisfactory accuracy of the uncertainty analysis of a target model output,
which requires considering higher-order statistical moments.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <title>Solute transport in a laboratory-scale porous medium with zoned
heterogeneity</title>
      <p id="d1e11854">As a last exemplary showcase, we consider the laboratory-scale experimental
analysis of nonreactive chemical transport illustrated by Esfandiar et al. (2015). These authors consider tracer transport within a rectangular flow
cell filled with two types of uniform sands. These were characterized by
diverse porosity and permeability values, which were measured through
separate, standard laboratory tests. A sketch of the experimental setup
displaying the geometry of the two uniform zones, respectively, formed by
coarse and fine sand is illustrated in Fig. 6.</p>
      <p id="d1e11857">After establishing fully saturated steady-state flow, a solution containing a
constant tracer concentration is injected as a step input at the cell inlet.
The tracer breakthrough curve is then defined in terms of the temporal
variation of the spatial mean of the concentration detected along the flow
cell outlet. Esfandiar et al. (2015) modeled the temporal evolution of
normalized (with respect to the solute concentration of the injected fluid)
concentration at the outlet, <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> denoting time), by
numerically solving within the flow domain the classical
advection–dispersion equation implementing an original and accurate
space–time grid adaptation technique. Unknown longitudinal dispersivities of
the two sands (<inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2, respectively, denoting the coarse and
fine sand) were considered as uncertain system parameters to be estimated
against the available experimental solute breakthrough data. To minimize the
computational costs in the model calibration process, Esfandiar et al. (2015) relied on a gPCE approximation of <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The authors
constructed a gPCE of total degree <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 3 by considering <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be two i.i.d. random variables uniformly distributed
within <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>6, <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>2],
<inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being expressed in [m]. Further details about the problem setup,
numerical discretization and grid adaptation technique as well of the
construction of the gPCE representation can be found in Esfandiar et al. (2015). Here, we ground the application of our new GSA metrics on the gPCE
surrogate model already constructed by Esfandiar et al. (2015) to
approximate <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6"><caption><p id="d1e12038">Sketch of the solute transport setting considered by Esfandiar et
al. (2015).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f06.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7" specific-use="star"><caption><p id="d1e12050">Temporal evolution of the unconditional <bold>(a)</bold> expected value,
<inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of normalized <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Vertical lines in <bold>(a)</bold> correspond
to time steps <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., the times at
which <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 0.02, 0.4 and
0.96, respectively.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f07.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8" specific-use="star"><caption><p id="d1e12221">Time evolution of the global sensitivity index <bold>(a)</bold> AMAE<inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi/><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> AMAV<inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (dashed curves),
<bold>(c)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(d)</bold> AMA<inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue) or <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(red)).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f08.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F9" specific-use="star"><caption><p id="d1e12391">First four moments of <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> conditional on
<inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves) and <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red
curves), at time <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: <bold>(a)</bold> expected value, <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced open="." close="|"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2). The
corresponding unconditional moments are also depicted (black curves).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f09.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F10" specific-use="star"><caption><p id="d1e12675">First four moments of <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> conditional on
<inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves) and <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red
curves), at time <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: <bold>(a)</bold> expected value, <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced open="." close="|"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced open="." close="|"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2). The
corresponding unconditional moments are also depicted (black curves).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f10.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F11" specific-use="star"><caption><p id="d1e12960">First four moments of <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> conditional on
<inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves) and <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red
curves), at time <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: <bold>(a)</bold> expected value, <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> variance, <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced open="." close="|"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> skewness, <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close="|" open="."><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(d)</bold> kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mfenced open="." close="|"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1, 2). The
corresponding unconditional moments are also depicted (black curves).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://hess.copernicus.org/articles/21/6219/2017/hess-21-6219-2017-f11.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e13242">Figure 7 depicts the temporal evolution of the unconditional expected value,
<inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, variance, <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, skewness, <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and kurtosis, <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of normalized <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Time steps <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., the times at which <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 0.02, 0.4 and 0.96, respectively, are highlighted in
Fig. 7a. Figure 7a reveals a pronounced tailing of <inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at late times, the short time mean breakthrough
being associated with a rapid temporal increase of <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A local minimum at <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and two local
peaks are recognized in <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(Fig. 7b). The variance peaks at times approximately corresponding to the
largest values of <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This outcome is consistent with the results of
numerical Monte Carlo (MC) simulations depicted in Fig. 8 of Esfandiar et
al. (2015) where the largest spread of the MC results is observed around
these locations. The local minimum displayed by <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> suggests that <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at observation times
close to <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is mainly driven by advection, consistent with the
observation that advective transport components are the main driver of the
displacement of the center of mass of a solute plume. The late time variance
<inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tends to vanish because the
normalized breakthrough curve is always very close to unity irrespective of
the values of <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Joint inspection of Fig. 7c
and d reveals that the pdf of <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tends to be symmetric around the mean
(Fig. 7c) and characterized by light tails (Fig. 7d) at about <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Otherwise, the pdfs of <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tend to display heavy right or left
tails, respectively, for observation times shorter or longer than <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
These observations suggest that the relative frequency of rare events (i.e.,
very low or high solute concentrations, which can be of some concern in the
context of risk assessment) is lowest at intermediate observation times
across the duration of the experiment.</p>
      <p id="d1e13632">Figure 8 depicts the temporal evolution of (a) AMAE<inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, (b) AMAV<inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>,
(c) AMA<inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (d) AMA<inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of
<inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Results shown in Fig. 8 demonstrate that statistical moments
of <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are more sensitive to <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> than to
<inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at early times. The opposite occurs when <inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> &gt; <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Our set of results suggests that the overall early
time pattern of solute breakthrough is mainly dictated by the value of
<inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; the late time behavior is chiefly influenced by <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
These conclusions are supported by the results of Figs. 9–11, where we
depict the expected value, variance, skewness and kurtosis of <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> conditional to <inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue curves) and <inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red curves), at times <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 9), <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(Fig. 10) and <inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 11). The corresponding unconditional
moments are also depicted (black curves) for ease of comparison. Figure 9
shows that the first four statistical moments of <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are practically insensitive to the value of the fine
sand dispersivity, <inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As one could expect by considering the
relative size and geometrical pattern of the two sand zones, Fig. 9a shows
that the average amount of solute reaching the cell outlet at early times
increases with <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, because dispersion of solute increases through
the coarse sand which resides in the largest portion of the domain. Figure 9b shows that <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negligible when
<inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is known. Consistent with this result, Fig. 9c and d,
respectively, show a reduction in the asymmetry and in the tailing behavior
of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
fixed. These results are a symptom of a reduced process uncertainty, which
is in line with the observation that the bulk of the domain is filled with
the coarse sand whose dispersive properties become deterministic when
<inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is known.</p>
      <p id="d1e14129">Inspection of the first four unconditional statistical moments of <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black curves in Fig. 10) indicates that the
unconditional pdf of <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at this intermediate time closely
resembles a Gaussian distribution. Conditioning <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on dispersivity causes a variance reduction, an increase
of the tailing and the appearance of a negative (left) or positive (right)
skewness, respectively, when conditioning is performed on <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or
<inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> This behavior suggests that in the type of experimental
setting analyzed the variability of <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> promotes the appearance of
values of <inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> larger than the mean, the
opposite of what occurs when solely <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is considered as uncertain.</p>
      <p id="d1e14260">Figure 11 shows that all four statistical moment of <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are chiefly sensitive to the dispersivity of the fine
sand box, which is placed near the cell outlet. One can note that knowledge
of <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields a diminished variance of <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which drops almost to zero, an increased degree of symmetry and
a reduce tailing of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M568" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.96</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, all symptoms of uncertainty reduction.</p>
      <p id="d1e14330">Results depicted in Figs. 9–11 and our earlier observations about Fig. 7 are
consistent with the expected behavior of transport in the system and the
relative role of the dispersivities of the two sand regions. The high level
of sensitivity of <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the early times of
solute breakthrough is in line with the observation that solute particles
are mainly advected and dispersed through the coarse sand. Both
dispersivities affect the behavior of <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at intermediate
times, when solute is traveling through both sands. The dispersivity of the
coarse sand plays a minor role at late times because virtually no
concentration gradients arise in this portion of the domain. Otherwise,
concentration gradients persist in the fine sand zone close to the outlet,
and the solute breakthrough is clearly controlled by the dispersive
properties of the fine sand.</p><?xmltex \hack{\vspace{-3mm}}?>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusions</title>
      <p id="d1e14392">We introduce a set of new indices to be employed in the context of global
sensitivity analysis, GSA, of hydrological and Earth systems. These indices
consider the first four (statistical) moments of the probability density
function, pdf, of a desired model output, <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As such, they quantify the expected
relative variation due to the variability in one (or more) model input
parameter(s), of the expected value, variance, skewness and kurtosis of <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
When viewed in the current research trend, our work is intended to bridge
the gap between variance-based and pdf-based GSA approaches since it embeds the
simplicity of the former while allowing for a higher-order description of
how the structure of the pdf of <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is affected by variations of uncertain model
parameters. We cope with computational costs, which might be high when
evaluating higher-order moments, by coupling our GSA approach with
techniques approximating the full model response through a surrogate model.
For the sake of our study, we consider the generalized polynomial chaos expansion (gPCE), other model reduction techniques being fully compatible
with our approach. Our new indices can be of interest for application in the
context of current practices and evolving trends in factor fixing
procedures (i.e., assessment of the possibility of fixing a parameter value
on the basis of the associated output sensitivity), experiment design,
uncertainty quantification and environmental risk assessment due to the
role of the key features of a model output pdf in such analyses.</p>
      <p id="d1e14416">We exemplify our methodology on three test beds: (a) the Ishigami function,
which is widely employed to test sensitivity analysis techniques, (b) the
evaluation of the critical pumping rate to avoid salinization of a pumping
well in a coastal aquifer and (c) a laboratory-scale nonreactive transport
experiment. Our theoretical analyses and application examples lead to the
following major conclusions.</p>
      <p id="d1e14419">The calculated sensitivity of a model output, <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with respect to a parameter
depends on the selected global sensitivity index, i.e., variability of a
model parameter affects statistical moments of <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> in different ways and with
different relative importance depending on the statistical moment
considered. Relying on the indices we propose allows us to enhance our ability
to quantify how model parameters affect features of the model output pdf, such
as mean, degree of spread, symmetry and tailedness, in a straightforward and
easily transferrable way.</p>
      <p id="d1e14436">Joint inspection of our moment-based global sensitivity indices and of the
first four statistical conditional and unconditional moments of <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases
our ability to understand the way the structure of the model output pdf is
controlled by model parameters. As demonstrated in our examples, classical
variance-based GSA methods cannot be used for this purpose, leading, in some
cases, to the unwarranted conclusion that a given parameter has a limited
impact on a target output.</p>
      <p id="d1e14447">Analysis of the errors associated with the use of a surrogate model for the
evaluation of our moment-based sensitivity indices suggests that (a) attaining a given level of accuracy for the gPCE-based indices associated
with a target variable, <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, might require considering a diverse total order
<inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE, depending on the target statistical moment considered in the
GSA of <inline-formula><mml:math id="M580" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>; and (b) in our examples, the absolute relative error (Eq. 26) for
AMAE<inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> based on a given total degree <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gPCE approximation is
always lower than its counterpart associated with higher-order moments (see
Figs. 2 and 5).</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="dataavailability">

      <p id="d1e14495">All data used in the paper will be retained by the authors for at least 5 years after publication
and will be available to the readers upon request.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests">

      <p id="d1e14501">The authors declare that they have no conflict of interest.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d1e14507">Funding from the Italian Ministry of Education, University and Research,
Water JPI, WaterWorks 2014, project: WE-NEED (WatEr NEEDs, availability,
quality and sustainability) and from the European Union's Horizon 2020
Research and Innovation program (project: Furthering the knowledge Base for
Reducing the Environmental Footprint of Shale Gas Development – FRACRISK,
grant agreement 636811) is acknowledged.
<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>
Edited by: Bill Hu<?xmltex \hack{\newline}?>
Reviewed by: Holger Class and Jacob Bensabat</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Borgonovo, E.: A new uncertainty importance measure, Reliab. Eng. Syst. Safe., 92, 771–784, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Borgonovo, E., Castaings, W., and Tarantola, S.: Moment Independent
Importance Measures: New Results and Analytical Test Cases, Risk Anal., 31,
404–428, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>Chu, J., Zhang, C., Fu, G., Li, Y., and Zhou, H.: Improving multi-objective
reservoir operation optimization with sensitivity-informed dimension
reduction, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 3557–3570,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-19-3557-2015" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-19-3557-2015</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Chun, M. H., Han, S. J., and Tak, N. I. L.: An uncertainty importance measure
using a distance metric for the change in a cumulative distribution function,
Reliab. Eng. Syst. Safe., 70, 313–321, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>Ciriello, V., Di Federico, V., Riva, M., Cadini, F., De Sanctis, J., Zio, E.,
and Guadagnini, A.: Polynomial chaos expansion for global sensitivity
analysis applied to a model
of radionuclide migration in a randomly heterogeneous aquifer, Stoch. Env. Res. Risk. A., 27, 945–954, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00477-012-0616-7" ext-link-type="DOI">10.1007/s00477-012-0616-7</ext-link>,
2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>Colombo, I., Porta, G. M., Ruffo, P., and Guadagnini, A.: Uncertainty
quantification of overpressure buildup through inverse modeling of
compaction processes in sedimentary basins, Hydrogeol. J., 25, 385–403,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10040-016-1493-9" ext-link-type="DOI">10.1007/s10040-016-1493-9</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>Crestaux, T., Le Maître, O., and Martinez, J. M.: Polynomial chaos
expansion for sensitivity analysis, Reliab. Eng. Syst. Safe., 94,
1161–1172, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.ress.2008.10.008" ext-link-type="DOI">10.1016/j.ress.2008.10.008</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>Elshorbagy, A., Corzo, G., Srinivasulu, S., and Solomatine, D. P.:
Experimental investigation of the predictive capabilities of data driven
modeling techniques in hydrology – Part 1: Concepts and methodology, Hydrol.
Earth Syst. Sci., 14, 1931–1941, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-14-1931-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-14-1931-2010</ext-link>,
2010a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>Elshorbagy, A., Corzo, G., Srinivasulu, S., and Solomatine, D. P.:
Experimental investigation of the predictive capabilities of data driven
modeling techniques in hydrology – Part 2: Application, Hydrol. Earth Syst.
Sci., 14, 1943–1961, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-14-1943-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-14-1943-2010</ext-link>, 2010b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>Esfandiar, B., Porta, G., Perotto, S., and Guadagnini, A.: Impact of
space-time mesh adaptation on solute transport modeling in porous media,
Water Resour. Res., 51, 1315–1332, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2014WR016569" ext-link-type="DOI">10.1002/2014WR016569</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>Formaggia, L., Guadagnini, A., Imperiali, I., Lever, V., Porta, G., Riva,
M., Scotti, A., and Tamellini, L.: Global sensitivity analysis through
polynomial chaos expansion of a basin-scale geochemical compaction model,
Comput. Geosci., 17, 25–42, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10596-012-9311-5" ext-link-type="DOI">10.1007/s10596-012-9311-5</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>Förster, K., Meon, G., Marke, T., and Strasser, U.: Effect of meteorological
forcing and snow model complexity on hydrological simulations in the Sieber
catchment (Harz Mountains, Germany), Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 4703–4720,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-18-4703-2014" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-18-4703-2014</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>Fu, G., Kapelan, Z., and Reed, P.: Reducing the complexity of multiobjective
water distribution system optimization through global sensitivity analysis,
J. Water Res. Pl.-ASCE, 38, 196–207,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000171" ext-link-type="DOI">10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000171</ext-link> , 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Ghanem, R. G and Spanos, P. D.: Stochastic finite elements: a spectral
approach, Berlin, Springer, Germany, 214 pp., 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Gläser, D., Dell'Oca, A., Tatomir, A., Bensabat, J., Class, H.,
Guadagnini, A., Helmig, R., McDermott, C., Riva, M., and Sauter, M.: An
approach towards a FEP-based model risk assessment for hydraulic fracturing
operations, Energy Procedia, 97, 387–394, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>Grauso, S., Fattoruso, G., Crocetti, C., and Montanari, A.: Estimating the
suspended sediment yield in a river network by means of geomorphic parameters
and regression relationships, Hydrol. Earth Syst. Sci., 12, 177–191,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-12-177-2008" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-12-177-2008</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>Hartmann, A., Weiler, M., Wagener, T., Lange, J., Kralik, M., Humer, F.,
Mizyed, N., Rimmer, A., Barberá, J. A., Andreo, B., Butscher, C., and
Huggenberger, P.: Process-based karst modelling to relate hydrodynamic and
hydrochemical characteristics to system properties, Hydrol. Earth Syst. Sci.,
17, 3305–3321, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-17-3305-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-17-3305-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>Herman, J. D., Kollat, J. B., Reed, P. M., and Wagener, T.: From maps to
movies: high-resolution time-varying sensitivity analysis for spatially
distributed watershed models, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 5109–5125,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-17-5109-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-17-5109-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>
Homma, T. and Saltelli, A.: Importance measures in global sensitivity
analysis of nonlinear models, Reliab. Eng. Syst. Safe., 52, 1–17, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>
Iman, R. L. and Hora, S. C.: A robust measure of uncertainty importance for
use in fault tree system analysis, Risk Anal., 10, 401–406, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>Koutsoyiannis, D.: HESS Opinions “A random walk on wate”, Hydrol. Earth
Syst. Sci., 14, 585–601, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/hess-14-585-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/hess-14-585-2010</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>
Krykacz-Hausmann, B.: Epistemic sensitivity analysis based on the concept of
entropy, in: Proceedings of SAMO2001, Madrid, Spain, edited by: Prado, P. and Bolado, R., 31–35, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>
Le Maître, O. P. and Knio, O. M.: Spectral methods for uncertainty
quantification, Scientific computation, Springer, 542 pp., 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>Paniconi, C. and Putti, M.: Physically based modeling in catchment hydrology
at 50: survey and outlook, Water Resour. Res., 51, 7090–7129, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2015WR017780" ext-link-type="DOI">10.1002/2015WR017780</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>Pianosi, F. and Wagener, T.: A simple and efficient method for global
sensitivity analysis based on cumulative distribution functions, Environ.
Modell. Softw., 67, 1–11, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2015.01.004" ext-link-type="DOI">10.1016/j.envsoft.2015.01.004</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>Pianosi, F., Wagener, T., Beven, K., Freer, J., Hall, J. W., Rougier, J., and
Stephenson, D. B.: Sensitivity Analysis of Environmental Models: a Systematic
Review with Practical Workflow, Environ. Modell. Softw., 79,
214–232, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.008" ext-link-type="DOI">10.1016/j.envsoft.2016.02.008</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>Pool, M. and Carrera, J.: A correction factor to account for mixing in
Ghyben-Herzberg and critical pumping rate approximations of seawater
intrusion in coastal aquifers, Water Resour. Res., 47, W05506,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2010WR010256" ext-link-type="DOI">10.1029/2010WR010256</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>
Punzo, V., Marcello, M., and Biagio, C.: Do we really need to calibrate all
the parameters? Variance-based sensitivity analysis to simplify microscopic
traffic flow models, IEEE T. Intell. Transp., 16, 184–193, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>Razavi, S. and Gupta H. V.: What do we mean by sensitivity analysis? The
need for comprehensive characterization of “global” sensitivity in Earth
and Environmental systems models, Water Resour. Res., 51, 3070–3092,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2014WR016527" ext-link-type="DOI">10.1002/2014WR016527</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>Razavi, S., Tolson, B. A., and Burn, D. H.: Numerical assessment of
metamodelling strategies in computationally intensive optimization, Environ.
Modell. Softw., 34, 67–86, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.09.010" ext-link-type="DOI">10.1016/j.envsoft.2011.09.010</ext-link>, 2012a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>Razavi, S., Tolson, B. A., and Burn, D. H.: Review of surrogate modeling in
water resources, Water Resour. Res., 48, W07401, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2011WR011527" ext-link-type="DOI">10.1029/2011WR011527</ext-link>, 2012b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>Riva, M., Guadagnini, A., and Dell'Oca, A.: Probabilistic assessment of
seawater intrusion under multiple sources of uncertainty, Adv. Water
Resour., 75, 93–104, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2014.11.002" ext-link-type="DOI">10.1016/j.advwatres.2014.11.002</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>
Saltelli, A., Ratto, M., Andres, T., Campolongo, F., Cariboni, J., Gatelli,
D., Saisana, M., and Tarantola, S.: Global Sensitivity Analysis. The Primer,
Wiley, 305 pp., 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>Sarrazin, F., Pianosi, F., and Wagener, T.: Global sensitivity analysis of
enviromental models: convergence and validation, Environ. Modell. Softw., 79,
135–152, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.005" ext-link-type="DOI">10.1016/j.envsoft.2016.02.005</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>
Sobol, I. M.: Sensitivity estimates for nonlinear mathematical models, Math.
Model. Comput. Exp., 1, 407–417, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>Sudret, B.: Global sensitivity analysis using polynomial chaos expansions,
Reliab. Eng. Syst. Safe., 93, 964–979, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.ress.2007.04.002" ext-link-type="DOI">10.1016/j.ress.2007.04.002</ext-link>,
2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>Wagener, T. and Montanari, A.: Convergence of approaches toward reducing
uncertainty in predictions in ungauged basins, Water Resour. Res., 47,
W060301, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2010WR009469" ext-link-type="DOI">10.1029/2010WR009469</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>Wagener, T., Sivapalan, M., Troch, P. A., McGlynn, B. L., Harman, C. J.,
Gupta, H. V., Kumar, P., Rao, P. S. C., Basu, N. B., and Wilson, J. S.: The
future of hydrology: An evolving science for a changing world, Water Resour.
Res., 46, W05301, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2009WR008906" ext-link-type="DOI">10.1029/2009WR008906</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>
Willmann, M., Sanchez-Vila, X., Carrera, J., and Guadagnini, A.:
Block-upscaling of transport in heterogeneous aquifers, Calibration and
Reliability in Groundwater Modelling: From Uncertainty to Decision Making,
Proceedings of ModelCARE 2005, The Hague, the Netherlands, June 2005, IAHS
Publ., 304, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>Xiu, D. and Karniadakis, G. E. M.: The Wiener-Askey polynomial chaos for
stochastic differential equations, SIAM J. Sci. Stat. Comp., 24, 619–644,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/S1064827501387826" ext-link-type="DOI">10.1137/S1064827501387826</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>

  </ref-list><app-group content-type="float"><app><title/>

    </app></app-group></back>
    <!--<article-title-html>Moment-based metrics for global sensitivity analysis of hydrological systems</article-title-html>
<abstract-html><p class="p">We propose new metrics to assist global sensitivity analysis, GSA, of
hydrological and Earth systems. Our approach allows assessing the impact of
uncertain parameters on main features of the probability density function,
pdf, of a target model output, <i>y</i>. These include the expected value
of <i>y</i>, the spread around the mean and the degree of symmetry and tailedness
of the pdf of <i>y</i>. Since reliable assessment of higher-order
statistical moments can be computationally demanding, we couple our GSA
approach with a surrogate model, approximating the full model response at a
reduced computational cost. Here, we consider the generalized polynomial chaos expansion (gPCE), other model reduction techniques being fully
compatible with our theoretical framework. We demonstrate our approach
through three test cases, including an analytical benchmark, a simplified
scenario mimicking pumping in a coastal aquifer and a laboratory-scale
conservative transport experiment. Our results allow ascertaining which
parameters can impact some moments of the model output pdf while
being uninfluential to others. We also investigate the error associated with
the evaluation of our sensitivity metrics by replacing the original system
model through a gPCE. Our results indicate that the construction of a
surrogate model with increasing level of accuracy might be required depending
on the statistical moment considered in the GSA. The approach is fully
compatible with (and can assist the development of) analysis techniques
employed in the context of reduction of model complexity, model calibration,
design of experiment, uncertainty quantification and risk
assessment.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Borgonovo, E.: A new uncertainty importance measure, Reliab. Eng. Syst. Safe., 92, 771–784, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Borgonovo, E., Castaings, W., and Tarantola, S.: Moment Independent
Importance Measures: New Results and Analytical Test Cases, Risk Anal., 31,
404–428, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
Chu, J., Zhang, C., Fu, G., Li, Y., and Zhou, H.: Improving multi-objective
reservoir operation optimization with sensitivity-informed dimension
reduction, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 3557–3570,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-19-3557-2015" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-19-3557-2015</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Chun, M. H., Han, S. J., and Tak, N. I. L.: An uncertainty importance measure
using a distance metric for the change in a cumulative distribution function,
Reliab. Eng. Syst. Safe., 70, 313–321, 2000.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Ciriello, V., Di Federico, V., Riva, M., Cadini, F., De Sanctis, J., Zio, E.,
and Guadagnini, A.: Polynomial chaos expansion for global sensitivity
analysis applied to a model
of radionuclide migration in a randomly heterogeneous aquifer, Stoch. Env. Res. Risk. A., 27, 945–954, <a href="https://doi.org/10.1007/s00477-012-0616-7" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00477-012-0616-7</a>,
2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Colombo, I., Porta, G. M., Ruffo, P., and Guadagnini, A.: Uncertainty
quantification of overpressure buildup through inverse modeling of
compaction processes in sedimentary basins, Hydrogeol. J., 25, 385–403,
<a href="https://doi.org/10.1007/s10040-016-1493-9" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10040-016-1493-9</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Crestaux, T., Le Maître, O., and Martinez, J. M.: Polynomial chaos
expansion for sensitivity analysis, Reliab. Eng. Syst. Safe., 94,
1161–1172, <a href="https://doi.org/10.1016/j.ress.2008.10.008" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ress.2008.10.008</a>, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Elshorbagy, A., Corzo, G., Srinivasulu, S., and Solomatine, D. P.:
Experimental investigation of the predictive capabilities of data driven
modeling techniques in hydrology – Part 1: Concepts and methodology, Hydrol.
Earth Syst. Sci., 14, 1931–1941, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-14-1931-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-14-1931-2010</a>,
2010a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Elshorbagy, A., Corzo, G., Srinivasulu, S., and Solomatine, D. P.:
Experimental investigation of the predictive capabilities of data driven
modeling techniques in hydrology – Part 2: Application, Hydrol. Earth Syst.
Sci., 14, 1943–1961, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-14-1943-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-14-1943-2010</a>, 2010b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
Esfandiar, B., Porta, G., Perotto, S., and Guadagnini, A.: Impact of
space-time mesh adaptation on solute transport modeling in porous media,
Water Resour. Res., 51, 1315–1332, <a href="https://doi.org/10.1002/2014WR016569" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2014WR016569</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
Formaggia, L., Guadagnini, A., Imperiali, I., Lever, V., Porta, G., Riva,
M., Scotti, A., and Tamellini, L.: Global sensitivity analysis through
polynomial chaos expansion of a basin-scale geochemical compaction model,
Comput. Geosci., 17, 25–42, <a href="https://doi.org/10.1007/s10596-012-9311-5" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10596-012-9311-5</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Förster, K., Meon, G., Marke, T., and Strasser, U.: Effect of meteorological
forcing and snow model complexity on hydrological simulations in the Sieber
catchment (Harz Mountains, Germany), Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 4703–4720,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-18-4703-2014" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-18-4703-2014</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Fu, G., Kapelan, Z., and Reed, P.: Reducing the complexity of multiobjective
water distribution system optimization through global sensitivity analysis,
J. Water Res. Pl.-ASCE, 38, 196–207,
<a href="https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000171" target="_blank">https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000171</a> , 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Ghanem, R. G and Spanos, P. D.: Stochastic finite elements: a spectral
approach, Berlin, Springer, Germany, 214 pp., 1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Gläser, D., Dell'Oca, A., Tatomir, A., Bensabat, J., Class, H.,
Guadagnini, A., Helmig, R., McDermott, C., Riva, M., and Sauter, M.: An
approach towards a FEP-based model risk assessment for hydraulic fracturing
operations, Energy Procedia, 97, 387–394, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>
Grauso, S., Fattoruso, G., Crocetti, C., and Montanari, A.: Estimating the
suspended sediment yield in a river network by means of geomorphic parameters
and regression relationships, Hydrol. Earth Syst. Sci., 12, 177–191,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-12-177-2008" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-12-177-2008</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>
Hartmann, A., Weiler, M., Wagener, T., Lange, J., Kralik, M., Humer, F.,
Mizyed, N., Rimmer, A., Barberá, J. A., Andreo, B., Butscher, C., and
Huggenberger, P.: Process-based karst modelling to relate hydrodynamic and
hydrochemical characteristics to system properties, Hydrol. Earth Syst. Sci.,
17, 3305–3321, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-17-3305-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-17-3305-2013</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>
Herman, J. D., Kollat, J. B., Reed, P. M., and Wagener, T.: From maps to
movies: high-resolution time-varying sensitivity analysis for spatially
distributed watershed models, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 5109–5125,
<a href="https://doi.org/10.5194/hess-17-5109-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-17-5109-2013</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>
Homma, T. and Saltelli, A.: Importance measures in global sensitivity
analysis of nonlinear models, Reliab. Eng. Syst. Safe., 52, 1–17, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>
Iman, R. L. and Hora, S. C.: A robust measure of uncertainty importance for
use in fault tree system analysis, Risk Anal., 10, 401–406, 1990.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>
Koutsoyiannis, D.: HESS Opinions “A random walk on wate”, Hydrol. Earth
Syst. Sci., 14, 585–601, <a href="https://doi.org/10.5194/hess-14-585-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/hess-14-585-2010</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>
Krykacz-Hausmann, B.: Epistemic sensitivity analysis based on the concept of
entropy, in: Proceedings of SAMO2001, Madrid, Spain, edited by: Prado, P. and Bolado, R., 31–35, 2001.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>
Le Maître, O. P. and Knio, O. M.: Spectral methods for uncertainty
quantification, Scientific computation, Springer, 542 pp., 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>
Paniconi, C. and Putti, M.: Physically based modeling in catchment hydrology
at 50: survey and outlook, Water Resour. Res., 51, 7090–7129, <a href="https://doi.org/10.1002/2015WR017780" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2015WR017780</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>
Pianosi, F. and Wagener, T.: A simple and efficient method for global
sensitivity analysis based on cumulative distribution functions, Environ.
Modell. Softw., 67, 1–11, <a href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2015.01.004" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2015.01.004</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>
Pianosi, F., Wagener, T., Beven, K., Freer, J., Hall, J. W., Rougier, J., and
Stephenson, D. B.: Sensitivity Analysis of Environmental Models: a Systematic
Review with Practical Workflow, Environ. Modell. Softw., 79,
214–232, <a href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.008" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.008</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>
Pool, M. and Carrera, J.: A correction factor to account for mixing in
Ghyben-Herzberg and critical pumping rate approximations of seawater
intrusion in coastal aquifers, Water Resour. Res., 47, W05506,
<a href="https://doi.org/10.1029/2010WR010256" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2010WR010256</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>
Punzo, V., Marcello, M., and Biagio, C.: Do we really need to calibrate all
the parameters? Variance-based sensitivity analysis to simplify microscopic
traffic flow models, IEEE T. Intell. Transp., 16, 184–193, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>
Razavi, S. and Gupta H. V.: What do we mean by sensitivity analysis? The
need for comprehensive characterization of “global” sensitivity in Earth
and Environmental systems models, Water Resour. Res., 51, 3070–3092,
<a href="https://doi.org/10.1002/2014WR016527" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2014WR016527</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>
Razavi, S., Tolson, B. A., and Burn, D. H.: Numerical assessment of
metamodelling strategies in computationally intensive optimization, Environ.
Modell. Softw., 34, 67–86, <a href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.09.010" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.09.010</a>, 2012a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>
Razavi, S., Tolson, B. A., and Burn, D. H.: Review of surrogate modeling in
water resources, Water Resour. Res., 48, W07401, <a href="https://doi.org/10.1029/2011WR011527" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2011WR011527</a>, 2012b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>
Riva, M., Guadagnini, A., and Dell'Oca, A.: Probabilistic assessment of
seawater intrusion under multiple sources of uncertainty, Adv. Water
Resour., 75, 93–104, <a href="https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2014.11.002" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2014.11.002</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>
Saltelli, A., Ratto, M., Andres, T., Campolongo, F., Cariboni, J., Gatelli,
D., Saisana, M., and Tarantola, S.: Global Sensitivity Analysis. The Primer,
Wiley, 305 pp., 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>
Sarrazin, F., Pianosi, F., and Wagener, T.: Global sensitivity analysis of
enviromental models: convergence and validation, Environ. Modell. Softw., 79,
135–152, <a href="https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.005" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.005</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>
Sobol, I. M.: Sensitivity estimates for nonlinear mathematical models, Math.
Model. Comput. Exp., 1, 407–417, 1993.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>
Sudret, B.: Global sensitivity analysis using polynomial chaos expansions,
Reliab. Eng. Syst. Safe., 93, 964–979, <a href="https://doi.org/10.1016/j.ress.2007.04.002" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ress.2007.04.002</a>,
2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>
Wagener, T. and Montanari, A.: Convergence of approaches toward reducing
uncertainty in predictions in ungauged basins, Water Resour. Res., 47,
W060301, <a href="https://doi.org/10.1029/2010WR009469" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2010WR009469</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>
Wagener, T., Sivapalan, M., Troch, P. A., McGlynn, B. L., Harman, C. J.,
Gupta, H. V., Kumar, P., Rao, P. S. C., Basu, N. B., and Wilson, J. S.: The
future of hydrology: An evolving science for a changing world, Water Resour.
Res., 46, W05301, <a href="https://doi.org/10.1029/2009WR008906" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2009WR008906</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>
Willmann, M., Sanchez-Vila, X., Carrera, J., and Guadagnini, A.:
Block-upscaling of transport in heterogeneous aquifers, Calibration and
Reliability in Groundwater Modelling: From Uncertainty to Decision Making,
Proceedings of ModelCARE 2005, The Hague, the Netherlands, June 2005, IAHS
Publ., 304, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>
Xiu, D. and Karniadakis, G. E. M.: The Wiener-Askey polynomial chaos for
stochastic differential equations, SIAM J. Sci. Stat. Comp., 24, 619–644,
<a href="https://doi.org/10.1137/S1064827501387826" target="_blank">https://doi.org/10.1137/S1064827501387826</a>, 2002.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
