Παρατηρησιακή και αριθμητική μελέτη των δυναμικών και φυσικών διεργασιών που συνδέονται με τη θερινή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα στον ελλαδικό χώρο

Abstract

The present Ph.D. Thesis is divided into three main parts. In the first part the lightning activity over Greece during the warm season (May-September) of the years 2003 through 2006 is investigated, in relation with the synoptic meteorological conditions that prevailed in the region. The study is based on the use of cloud-to-ground lightning activity data and of upper-air analyses. The analysis of the spatial variability of lightning shows that the highest “relative” flash densities are observed in Northern and Western Greece and in Central and Western Peloponnissos. The study of the synoptic patterns related to lightning is based on the analysis of 60 active and 60 inactive days in terms of lightning activity over Greece. The days with high lightning activity are characterised by a short wave trough at the 500 hPa level over the Ionian Sea. On the other hand, during the days with no lightning a northwest flow prevails over Greece. It was also found that high lightning activity is related with high values of absolute vorticity, equivalent potential temperature and convective available potential energy. In the second part the sensitivity of numerical model quantitative precipitation forecasts to the choice of the convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity over Greece, during the warm period of 2005-2007. Namely, the study is conducted using MM5 model and the following three different CPSs: Kain - Fritsch, Grell and Betts - Miller - Janjic. Sixty numerical simulations were carried out. The simulated precipitation was verified against raingauge measurements and lightning data. Verification results showed that for all three schemes the model presented a tendency to overestimate light to moderate rain while in general it underestimated the high precipitation amounts. The validation against both sources of data showed that among the three CPSs, the more consistent behaviour in quantitative precipitation forecasting was obtained by the Kain - Fritsch scheme that provided the best statistical scores. However, the differences of the results of statistical analysis between the Kain - Fritsch and Grell schemes were not large. In the third part the sensitivity of quantitative precipitation forecasts to various modifications of the Kain - Fritsch (KF) convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity and widespread precipitation over Greece, during the warm period of 2005-2007. The modifications include: (i) the maximization of the convective scheme precipitation efficiency, (ii) the change of the convective time step, (iii) the forcing of the convective scheme to produce more/less cloud material, (iv) changes to the trigger function and (v) the alteration of the vertical profile of updraft mass flux detrainment. In general, forcing the model to produce less cloud material improves the precipitation forecast for the moderate and high precipitation amounts.

Το αντικείμενο της διατριβής είναι η παρατηρησιακή και αριθμητική μελέτη των δυναμικών και φυσικών διεργασιών που συνδέονται με τη θερινή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα στον Ελλαδικό χώρο. Αναλυτικότερα τα εξεταζόμενα αντικείμενα είναι τα εξής: 1. Η μελέτη των ηλεκτρικών εκκενώσεων στον Ελλαδικό χώρο κατά τη θερινή περίοδο για 4 τουλάχιστον έτη. Για την πραγματοποίηση των στόχων του παραπάνω αντικειμένου έχει ήδη γίνει η συλλογή και η επεξεργασία των ηλεκτρικών εκκενώσεων στη περιοχή του ευρύτερου Ελλαδικού χώρου για τις θερινές περιόδους των ετών 2003 έως και 2006. Τα δεδομένα που έχουν χρησιμοποιηθεί προέρχονται από το σύστημα καταγραφής των ηλεκτρικών εκκενώσεων της Βρετανικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας ATD (Arrival Time Difference). Τα γεγονότα τα οποία κατεγράφησαν στον Ελλαδικό χώρο για την περίοδο μελέτης, μετά τον απαραίτητο έλεγχο ποιότητας, κατανεμήθηκαν σε πλέγμα διαστάσεων 0,1° x 0,1° και υπολογίστηκε η πυκνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά θερινή περίοδο. Στις περιοχές με τις υψηλότερες τιμές πυκνότητας ηλεκτρικών εκκενώσεων συγκαταλέγονται η Μακεδονία, η Ήπειρος, ο ορεινός κεντρικός ηπειρωτικός κορμός καθώς και οι ορεινές περιοχές της Πελοποννήσου, γεγονός που αποτελεί μία πρώτη ένδειξη της σύνδεσης που υπάρχει μεταξύ της θέρμανσης του εδάφους, λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, και της ανάπτυξης θερινών καταιγίδων. Η άποψη αυτή ενισχύεται και από το γεγονός ότι το μέγιστο της δραστηριότητας παρατηρείται τις μεσημεριανές και πρώτες απογευματινές ώρες. 2. Η μελέτη των παραμετροποιήσεων ανοδικών κινήσεων (convection) και μικροφυσικής των αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης καιρού με στόχο την ορθότερη πρόβλεψη της θερινής καταιγιδοφόρου δραστηριότητας που συνοδεύεται από έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα. Στο αντικείμενο αυτό κύριος στόχος είναι η σύγκριση τριών διαφορετικών σχημάτων παραμετροποίησης που χρησιμοποιούνται στο αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης καιρού MM5. Τα σχήματα αυτά είναι τα κάτωθι: Kain - Fritch, Betts - Miller - Janjic και Grell και χρησιμοποιούνται στην παραμετροποίηση του μοντέλου για τον υπολογισμό της βροχόπτωσης που προέρχεται από τις κατακόρυφες κινήσεις μεταφοράς. Κατά τη σύγκριση των τριών σχημάτων παραμετροποίησης τα καλύτερα στατιστικά σκορ εμφανίζει το σχήμα Kain - Fritch ενώ τα αποτελέσματα που δίνει το σχήμα του Grell είναι αρκετά κοντά με αυτά του προαναφερθέντος σχήματος. 3. Η τροποποίηση του σχήματος παραμετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων στην ατμόσφαιρα των Kain - Fritsch με στόχο τη βελτιστοποίηση των αποτελεσμάτων της προβλεπόμενης βροχόπτωσης στην περιοχή του Ελλαδικού χώρου, κατά τη θερμή περίοδο του έτους Στο αντικείμενο αυτό έχει μελετηθεί στατιστικά η ικανότητα πρόβλεψης του πεδίου της βροχόπτωσης, εφαρμόζοντας ποικίλες τροποποιήσεις του σχήματος παραμετροποίησης Kain - Fritsch. Πιο συγκεκριμένα πέρα από την βασική έκδοση του σχήματος που χρησιμοποιείται στην επιχειρησιακή αλυσίδα του προγνωστικού μοντέλου ΜΜ5, αναπτύχθηκαν οκτώ συνολικά τροποποιήσεις. Εφαρμόζοντας τις παραπάνω τροποποιήσεις, πραγματοποιήθηκαν συνολικά 180 πειράματα για συνολικά 20 διαφορετικές ημέρες με έντονη βροχόπτωση κατά την θερμή περίοδο των ετών 2005-2007. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων παρείχε ενθαρρυντικά στοιχεία, καθώς ωθώντας το σχήμα να παράξει περισσότερο υετό παρατηρήθηκε βελτίωση στην ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει τον υετό.