Συνοπτική και δυναμική μελέτη των θερμών και ψυχρών εισβολών στον ευρύτερο ελλαδικό χώρο

Abstract

This dissertation is a contribution to the statistical, synoptic and thermodynamic study of the warm and cold air invasions that affected Greece during the period 1957-2000. The warm and cold invasions were identified and selected, for each studying station, using a simple, reliable and objective criterion. In the above criterion, maximum (minimum) average daily temperatures and the correspondent standard deviations were used to identify the warm (cold) episodes. Consequently, in order to have a better analysis and understanding the findings, the warm and cold episodes were grouped according to their time duration, resulting to: a) short (1-2 days), b) moderate (3-4 days) and c) long (≥ 5 days) episodes. According to the analysis of the absolute frequencies of occurrences of the episodes, the majority of the studied stations in an annual basis, in summer and in autumn, short time duration cold invasions are more than the corresponding warm invasions, while an opposite effect was observed when the time duration of the episodes was increased. In winter and spring, short time duration cold invasions are more than the corresponding warm invasions, and their difference was increased regarding to their time duration (except for the moderate time duration episodes that were detected in spring). From the study of the spatial distribution patterns, it is concluded that the maximum frequencies of occurrences of the short time duration episodes, warm and cold were observed in the area of Aegean Sea. In the other two groups, the maximum values were located in the mainland of Greece, while the maximum values of the long time duration cold episodes in northern Greece. Finally, from the decadal frequencies study, it is concluded that in the decades of the 60’ and 90’, in an annual and seasonal basis, except in winter, more warm than cold invasions were recorded, in the major portion of the Greek area, if not in the entire study area. In the decades of the 70’ and 80’, there are more cold invasions than warm, but with some exceptions during spring and summer. Based upon the criterion used to detect warm and cold invasions in a station, a new criterion was introduced in order to detect the spatial warm and cold invasions that affected the whole Greek area. In an annual and seasonal basis, it is concluded that warm invasions were more persistent than the cold ones. Also, an increase was observed in the time duration of the cold invasions during the period 1957-2000, as far as the warm invasions were concerned during the same period, their 90% of their frequency of occurrences was observed during the periods 1957-1970 and 1985-2000. From the decadal study of the frequencies of occurrences of warm and cold invasions, it is concluded that the maximum values of the warm and cold episodes were recorded in the 90’s: in this decade the maximum frequencies of the warm episodes were observed in summer, while the corresponding maximum values of cold episodes were observed in winter and spring. Moreover, cold and warm invasions were also studied in four sub-areas of Greece. These areas were defined according to an imaginable vertical division of Greece in 23,5º longitude (west and east sub-areas) and according to an imaginable horizontal division of Greece in 23,5º latitude (north and south sub-areas). Most of the warm and cold invasions were recorded in the west sub-area. Also, in the west sub-area, the maximum values of the frequencies of occurrences of cold invasions were recorded in all seasons, while the respective maximum values of warm invasions were recorded in summer and in autumn. Finally, from the decadal distribution of the warm and cold invasions, it can be generally said, that cold invasions were characterized by a positive trend, whilst the maximum values of warm invasions were recorded in the decades of the 60’ and 90’. Furthermore, seven climatic indices measuring the characteristics (frequency of occurrences, magnitude and intensity) of the warm and cold days were introduced. In an annual and seasonal basis, except winter, the maximum values of the indices of the warm days (cold days) were recorded in the south insular Greece (north-northwest Greece). In winter, the indices of both, warm and cold days, presented their maximum values in the mainland of Greece. In spring and in autumn, the indices of the warm and cold days were characterized by positive trends, something that strengthens their “unstable” character. In summer, the indices of warm days indicated positive trends, while the proportional indices of the cold days indicated negative trends, something that reinforced the “warm” character of this season. Finally, in winter, all indices were characterized by negative trends, something that can be attributed to their high values that were recorded in the decade of the 60’. The synoptic conditions during the warm and cold days of the spatial warm and cold invasions, that affected the Greek area, were studied. The synoptic classification was based on the 1000 to 500 hPa thickness fields, since thickness values are representative measures of the temperature field of the lower atmosphere. Warm (cold) days were associated with anticyclonic (cyclonic) circulation types according to the above classification. Specifically, the synoptic situation during warm (cold) days was characterized by anticyclonic (cyclonic) circulation in the middle troposphere, due to the presence of a ridge (trough or low) accompanied by a thermal ridge (trough or low), S-SW (N-NW) winds and advection of warm (cold) air masses from south (north) to Greek area. The synoptic and thermodynamic characteristics of four representative invasions were studied. The study of the above cases revealed that the important factors of the detection and development of the warm and cold invasions are: a) the synoptic situation of the middle troposphere, b) the baroclinicity of the atmosphere which determines the existence or not of the horizontal temperature advection and therefore the advection of the thermal characteristics of the air masses in the study area, c) the horizontal divergence, or convergence, which determines the kind of the vertical motions and therefore the adiabatic warming, or cooling, of the atmosphere, d) the diabatic heating, or cooling, of the atmosphere contributing positively, or negatively, in the development of a warm or cold invasion and e) the relative positions of the polar and subtropical jet streams.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μία συμβολή στη στατιστική, συνοπτική και θερμοδυναμική μελέτη των θερμών και ψυχρών εισβολών που επηρέασαν τον Ελλαδικό χώρο την περίοδο 1957-2000. Αρχικά, για τον εντοπισμό των θερμών και των ψυχρών εισβολών, σε κάθε υπό μελέτη σταθμό, υιοθετήθηκε ένα απλό, εύχρηστο και αντικειμενικό κριτήριο. Στο κριτήριο αυτό, χρησιμοποιήθηκαν οι μέσες ημερήσιες τιμές και οι αντίστοιχες τυπικές αποκλίσεις των ημερήσιων χρονοσειρών της μέγιστης (ελάχιστης) θερμοκρασίας για τα θερμά (ψυχρά) επεισόδια. Στη συνέχεια, για τηv καλύτερη μελέτη και παρουσίαση των αποτελεσμάτων, τα θερμά και ψυχρά επεισόδια ομαδοποιήθηκαν σύμφωνα με τη χρονική τους διάρκεια: α) μικρής (1-2 ημέρες ), β) μέτριας (3-4 ημέρες) και γ) μεγάλης (≥ 5 ημέρες) χρονικής διάρκειας επεισόδια. Από τη μελέτη των απόλυτων συχνοτήτων εμφάνισης των θερμών και ψυχρών επεισοδίων προκύπτει ότι, στην πλειονότητα των υπό μελέτη σταθμών, σε ετήσια βάση, το Καλοκαίρι και το Φθινόπωρο οι ψυχρές εισβολές μικρής χρονικής διάρκειας υπερτερούν των αντίστοιχων θερμών, ενώ παρατηρείται το αντίθετο όταν αυξάνει η χρονική τους διάρκεια. Tο Χειμώνα και την Άνοιξη, οι ψυχρές εισβολές μικρής χρονικής διάρκειας είναι περισσότερες από τις αντίστοιχες θερμές, ενώ η διαφορά τους αυξάνεται ταυτόχρονα με την αύξηση της χρονικής τους διάρκειας (εξαίρεση αποτελούν οι εισβολές μέτριας χρονικής διάρκειας την Άνοιξη). Από τη χωρική κατανομή τους προκύπτει ότι οι εισβολές μικρής χρονικής διάρκειας, θερμές και ψυχρές, παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες συχνότητες εμφάνισης τους στην περιοχή του Αιγαίου. Στις άλλες δύο ομάδες, το μέγιστο εντοπίζεται στον κεντρικό ηπειρωτικό κορμό της Ελλάδας, με εξαίρεση τις ψυχρές εισβολές μεγάλης χρονικής διάρκειας που το μέγιστο τους εντοπίζεται στη βόρεια Ελλάδα. Τέλος, από την ανά δεκαετία κατανομή τους, φαίνεται ότι στις δεκαετίες του 60’ και του 90’, σε ετήσια και εποχική βάση, εκτός του Χειμώνα, καταγράφονται περισσότερες θερμές εισβολές απ’ ότι ψυχρές εισβολές, αν όχι σε όλη την Ελλάδα, στο μεγαλύτερο μέρος της. Στις δεκαετίες του 70’ και του 80’ οι ψυχρές εισβολές υπερτερούν των αντιστοίχων θερμών με κάποιες εξαιρέσεις την Άνοιξη και το Καλοκαίρι. Στη συνέχεια, με βάση το κριτήριο επιλογής των θερμών και ψυχρών εισβολών ανά σταθμό, ορίστηκε και το κριτήριο επιλογής των χωρικών θερμών και ψυχρών εισβολών που επηρέασαν όλο τον Ελληνικό χώρο. Σε ετήσια και εποχική βάση προέκυψε ότι οι θερμές εισβολές παρουσίασαν μεγαλύτερη εμμονή απ’ ότι οι αντίστοιχες ψυχρές. Επιπλέον, σε ετήσια βάση, παρατηρήθηκε αύξηση στη χρονική διάρκεια των ψυχρών εισβολών κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης (1957-2000), ενώ όσον αφορά στις θερμές εισβολές το 90% αυτών σημειώθηκε τις περιόδους 1957-1970 και 1985-2000. Από την ανά δεκαετία μελέτη των επεισοδίων, σε ετήσια βάση, προέκυψε ότι τη δεκαετία του 90’ σημειώθηκαν τα περισσότερα θερμά και ψυχρά επεισόδια: τα θερμά, εξαιτίας αυτών που σημειώθηκαν, κυρίως, το Καλοκαίρι και τα ψυχρά στα αντίστοιχα του Χειμώνα και της Άνοιξης. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι χωρικές θερμές και ψυχρές εισβολές σε τέσσερις υπό-περιοχές του Ελληνικού χώρου. Οι υπό-περιοχές αυτές ορίστηκαν βάση ενός νοητού κατακόρυφου διαχωρισμού της Ελλάδας στις 23,5º γεωγραφικό μήκος (δυτικό και ανατολικό τομέα) και ενός νοητού οριζόντιου διαχωρισμού στις 38.5º γεωγραφικό πλάτος (βόρειο και νότιο τομέα). Τα περισσότερα θερμά και ψυχρά επεισόδια παρατηρήθηκαν στο δυτικό τομέα. Στο τομέα αυτό σημειώθηκαν οι μεγαλύτερες συχνότητες εμφάνισης των ψυχρών εισβολών όλες τις εποχές του έτους, ενώ των θερμών το Καλοκαίρι και το Φθινόπωρο. Από την ανά δεκαετία κατανομή των θερμών και ψυχρών επεισοδίων, σε γενικές γραμμές, τα ψυχρά παρουσίασαν θετική τάση, ενώ τα θερμά παρουσίασαν το μέγιστο των συχνοτήτων εμφάνισης τους στις δεκαετίες του 60’ και του 90’. Επιπλέον, ορίστηκαν επτά κλιματικοί δείκτες για τη μελέτη των χαρακτηριστικών (συχνότητα εμφάνισης, ένταση, αποκλίσεις) των θερμών και ψυχρών ημερών. Σε ετήσια και εποχική βάση, οι δείκτες των θερμών (ψυχρών) ημερών παρουσίασαν το μέγιστο της συχνότητας εμφάνισης τους στη νότια νησιωτική Ελλάδα (βόρεια-βορειοδυτική Ελλάδα), εκτός από το Χειμώνα όπου το μέγιστο όλων των δεικτών εντοπίζεται στον κεντρικό ηπειρωτικό κορμό της Ελλάδας. Οι δείκτες των θερμών και ψυχρών ημερών παρουσίασαν θετική τάση την Άνοιξη και το Φθινόπωρο ενισχύοντας τον «ασταθή» χαρακτήρα αυτών των εποχών. Το Καλοκαίρι, οι δείκτες των θερμών ημερών παρουσίασαν θετική τάση και οι αντίστοιχοι των ψυχρών αρνητική τάση, με αποτέλεσμα την ενίσχυση του «θερμού» χαρακτήρα αυτής της εποχής. Τέλος, το Χειμώνα, όλοι οι δείκτες παρουσίασαν αρνητική τάση, γεγονός που οφείλεται και στις μεγάλες συχνότητες εμφάνισης τους στη δεκαετία του 60’. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι συνοπτικές καταστάσεις που επικρατούσαν τις ημέρες των χωρικών θερμών και ψυχρών εισβολών που επηρέασαν όλο τον Ελληνικό χώρο. Η συνοπτική κατάταξη έγινε βάση των πεδίων των ισοπαχών 1000-500 hPa, καθώς οι ισοπαχείς αποτελούν ένα δείκτη της μέσης θερμοκρασιακής κατάστασης της κατώτερης τροπόσφαιρας. Οι θερμές (ψυχρές) ημέρες συνδέονται με αντικυκλωνικούς (κυκλωνικούς) τύπους κυκλοφορίας βάσει της παραπάνω κατάταξης. Συγκεκριμένα, οι θερμές (ψυχρές) ημέρες συνδέονται με αντικυκλωνική (κυκλωνική) κυκλοφορία στη μέση τροπόσφαιρα εξαιτίας της ύπαρξης μίας ράχης (αυλώνα ή χαμηλό) των ισοϋψών που συνοδεύεται από μία ράχη (αυλώνα ή χαμηλό) των ισοθέρμων, Ν-ΝΔ (Β-ΒΔ) ανέμους και τη μεταφορά θερμών (ψυχρών) αερίων μαζών από τα νότια (βόρεια) προς τον Ελλαδικό χώρο. Τέλος, μελετήθηκαν τα συνοπτικά και θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά τεσσάρων αντιπροσωπευτικών περιπτώσεων. Από τη μελέτη αυτών των περιπτώσεων προέκυψε ότι σημαντικό παράγοντα στην ανίχνευση και εξέλιξη των θερμών και ψυχρών εισβολών αποτελούν: α) η συνοπτική κατάσταση της μέσης τροπόσφαιρας, β) η βαροκλινικότητα της ατμόσφαιρας, που καθορίζει την ύπαρξη ή όχι οριζόντιας μεταφοράς της θερμοκρασίας, και επομένως τη μεταφορά θερμών ή ψυχρών αερίων μαζών στη περιοχή μελέτης, γ) η οριζόντια σύγκλιση ή απόκλιση αερίων μαζών, που καθορίζει το είδος των κατακόρυφων κινήσεων, και επομένως την αδιαβατική θέρμανση ή ψύξη της ατμόσφαιρας, δ) η διαβατική θέρμανση ή ψύξη της ατμόσφαιρας που μπορεί να συμβάλει θετικά ή αρνητικά στην εκδήλωση ενός θερμού ή ψυχρού επεισοδίου και ε) οι σχετικές θέσεις του υποτροπικού και του πολικού αεροχειμάρρου.