Εκτιμήσεις των μελλοντικών κλιματικών αλλαγών στη Μεσόγειο με τη χρήση περιοχικών κλιματικών μοντέλων

Abstract

The aim of this study is an analysis of present and future climate change in the Mediterranean with the use of climate models. In this direction, a recognition of important atmospheric circulation patterns dominating over Europe is attempted and further their effects to climate parameters of the Mediterranean are studied. The methods of pattern recognition used are the Rotated Principal Component Analysis (rPCA) and the Self Organizing Maps (SOM). Three teleconnection patterns were chosen, the North Atlantic Oscillation (NAO), which is a basic variability mode that mostly affects the climate of Western Europe, the North Sea–Caspian Pattern (NCP) and the Eastern Mediterranean Pattern (EMP) that mainly affect eastern Mediterranean and the Balkan Peninsula. The patterns are studied on a seasonal basis for 500 hPa geopotential height anomalies over Europe based on reanalysis (NCEP/NCAR) and simulated data of the ECHAM5/MPI GCM, for reference (1971-2000) and future period (2071-2100). According to the results, both PCA and SOM methodologies capture the main variability mode over the study area, represented by the NAO pattern, but SOM is capable of capturing even less pronounced patterns, such as the NCP and the EMP. In the future simulations, the atmospheric circulation seems to be more pronounced with stronger teleconnection patterns over Europe. On the next step, the SOM method was used in order to redefine the centers of the teleconnection indices for each dataset and their timeseries were calculated. Days characterized by extreme teleconnection indices were taken into consideration in order to examine their effects on the climate parameters of temperature, precipitation, wind (speed and direction) and frequency of low pressure systems in the Mediterranean. The data consists of 3 Regional Climate Models (RCM) simulations (KNMI-RACMO2, MPI-M-REMO, ICTP-REGCM3), that are all forced by the same GCM (ECHAM5) and cover the reference and future period. One important result is that the effects of the teleconnection indices are more pronounced in the future. As a conclusion, teleconnection patterns play an important role in the climate variability of the Mediterranean. The SOM methodology captures well the teleconnection patterns and it is a useful tool in defining teleconnection centers. Most importantly, teleconnection centers should not be stable, they have to be redefined in every case, since they are highly depended on the data and period used.

Στόχος της παρούσας διατριβής ειδίκευσης είναι η διερεύνηση των κλιματικών αλλαγών στην περιοχή της Μεσογείου με τη χρήση κλιματικών μοντέλων. Ο στόχος προσεγγίστηκε μέσω της μελέτης της συνοπτικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας, και ειδικότερα των ατμοσφαιρικών τηλεσυνδέσεων πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης και της επίδρασής τους στις κλιματικές παραμέτρους της Μεσογείου. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των χωρικών προτύπων στα δεδομένα είναι η Ανάλυση σε Κύριες Συνιστώσες (PCA) και οι Αυτοοργανούμενοι Χάρτες (SOM). Μελετώνται τρία πρότυπα τηλεσύνδεσης, η Βορειοατλαντική Κύμανση (ΝΑΟ), η τηλεσύνδεση της Βόρειας Θάλασσας/Κασπίας (NCP) και η τηλεσύνδεση της Ανατολικής Μεσογείου (ΕΜΡ). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι δύο μέθοδοι αποδίδουν ικανοποιητικά την τηλεσύνδεση ΝΑΟ που αποτελεί το βασικό σχήμα μεταβλητότητας στην περιοχή, αλλά η SOM καταφέρνει επιπλέον να αποδώσει πολλαπλές διαστάσεις της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας πάνω από την περιοχή μελέτης, απεικονίζοντας και μεταβατικές, λιγότερο συχνές καταστάσεις, όπως είναι οι ΝCP και EMP. Στα μελλοντικά σενάρια του μοντέλου, η ατμοσφαιρική κυκλοφορία και τα πρότυπα τηλεσύνδεσης παρουσιάζονται ενισχυμένα πάνω από την Ευρώπη. Στο επόμενο στάδιο η μέθοδος SOM χρησιμοποιήθηκε με στόχο τον επανακαθορισμό των κέντρων των δεικτών τηλεσύνδεσης. Με βάση τα νέα κέντρα υπολογίστηκαν οι χρονοσειρές των δεικτών και επιλέχθηκαν οι ημέρες εκείνες που χαρακτηρίζονται από ακραίες θετικές και αρνητικές τιμές. Μελετήθηκε η επίδραση των ημερών αυτών στις κλιματικές παραμέτρους της θερμοκρασίας, της βροχόπτωσης, του ανέμου και της συχνότητας συστημάτων χαμηλής πίεσης στην περιοχή της Μεσογείου. Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιωμένα ημερήσια δεδομένα των παραμέτρων αυτών από τρία Περιοχικά Κλιματικά Μοντέλα (KNMI-RACMO2, MPI-M-REMO, ICTP-REGCM3) για την περίοδο αναφοράς, 1971-2000, και τη μελλοντική, 2071-2100. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι η επίδραση των ακραίων δεικτών τηλεσύνδεσης παρουσιάζεται ενισχυμένη στο μέλλον. Συμπερασματικά, σύμφωνα με τα ευρήματα της παρούσας διατριβής, τα πρότυπα τηλεσύνδεσης παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του κλίματος στη Μεσόγειο. Η μέθοδος SOM αποδείχθηκε χρήσιμη στη μελέτη των τηλεσυνδέσεων και στον καθορισμό των κέντρων τους και προέκυψε πως τα κέντρα αυτά δεν πρέπει να θεωρούνται σταθερά καθώς εξαρτώνται από τα δεδομένα και την περίοδο μελέτης που χρησιμοποιούνται κάθε φορά.