Μελέτη των ψυχρών μετώπων στη Μεσόγειο

Abstract

The identification of cold fronts presents high research interest, since they have clear identification characteristics and they are accompanied by strong phenomena and intensive storms. Despite their important role in weather and climate, the number of objective climatological studies is limited. Especially in the region of the Mediterranean, an area with complex topography, the only climatological studies in the literature are relatively old and based on the subjective analysis of daily surface charts.In the present thesis an automated algorithm was developed (in two stages) for the identification of cold fronts over the Mediterranean on a climatological basis, applying both dynamic and thermodynamic criteria. The algorithm was based on the FTS algorithm of the University of Melbourne, which employs only kinematic criteria. For the purpose of this study, data for the wind velocity and temperature at 10 m and 850 hPa were used, taken from the database ECMWF Re-analysis ERA-Interim.At the first stage, the kinematic criteria of the FTS algorithm were modified, extended and optimized, in order to increase the performance of the algorithm (named MedFTS) in the Mediterranean. For the estimation of the performance, appropriate statistical metrics were calculated, by comparing the obtained results with synoptic charts. At the second stage, the algorithm was further extended by incorporating thermal criteria (temperature advection and TFP) to appropriately filter erroneous identifications, leading to the algorithm MedFTS_DT. By using the same statistical metrics, all criteria of the algorithm were optimized, and increased performance was achieved. The MedFTS_DT algorithm was used for a 10-year period, in order to produce a climatology in the region of the Mediterranean. In particular, spatial and temporal frequencies were calculated, as well as the relation between cold fronts and total precipitation.The study showed an overall satisfying performance of the algorithm MedFTS_DT, also proving the appropriateness of the chosen scheme, especially for the region of the Mediterranean. This shows that the transition from a simple baroclinic zone to a well-organized front in the Mediterranean indeed requires a wind shift, as confirmed by operational forecasters. Therefore the kinematic criterion is a prerequisite for the identification of cold fronts over the Mediterranean while the thermal criteria provide a stricter filter for the erroneously identified fronts and improve the performance of the algorithm. The application of the algorithm in a climatological basis showed that the algorithm is an effective and useful tool to produce an objective full climatology of cold fronts in the Mediterranean, which is missing in the climatological literature.

Ο εντοπισμός των ψυχρών μετώπων παρουσιάζει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον, καθώς έχουν σαφή χαρακτηριστικά εντοπισμού και συνοδεύονται από έντονα φαινόμενα και μεγάλης έντασης καταιγίδες. Ωστόσο, παρόλο που παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του καιρού και του κλίματος, οι σχετικές αντικειμενικές κλιματολογικές μελέτες είναι περιορισμένες. Ειδικά για την περιοχή της Μεσογείου, όπου το ανάγλυφο είναι έντονο και οι εναλλαγές ξηράς-θάλασσας συχνές, οι μοναδικές κλιματολογικές μελέτες στη βιβλιογραφία είναι σχετικά παλιές και έχουν βασιστεί στην υποκειμενική ανάλυση ημερήσιων χαρτών επιφανείας.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε (σε δύο στάδια) ένας αυτόματος αλγόριθμος για τον εντοπισμό των ψυχρών μετώπων που εμφανίζονται στη Μεσόγειο σε κλιματολογική βάση, εφαρμόζοντας τόσο δυναμικά όσο και θερμοδυναμικά κριτήρια. Ο αλγόριθμος βασίστηκε στον αλγόριθμο FTS από το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης που χρησιμοποιεί αποκλειστικά κινηματικά κριτήρια. Για τις ανάγκες της διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα για τον άνεμο και τη θερμοκρασία στα 10 m και στα 850 hPa από τη βάση δεδομένων ECMWF Re-analysis ERA-Interim.Στο πρώτο στάδιο έγινε η τροποποίηση, επέκταση και βελτιστοποίηση των κινηματικών κριτηρίων του αλγορίθμου FTS με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του αλγορίθμου MedFTS που προέκυψε στην αναγνώριση των ψυχρών μετώπων στη Μεσόγειο. Για τον υπολογισμό της απόδοσης του αλγορίθμου, έγινε στατιστική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων σε σύγκριση με συνοπτικούς χάρτες επιφανείας, με τη βοήθεια κατάλληλων στατιστικών δεικτών. Στο δεύτερο στάδιο της διατριβής έγινε επέκταση του αλγορίθμου με την προσθήκη θερμικών κριτηρίων (κριτήρια ψυχρής μεταφοράς και TFP) για το περαιτέρω φιλτράρισμα των λανθασμένων εντοπισμών, οπότε προέκυψε ο αλγόριθμος MedFTS_DT. Με τη βοήθεια των ίδιων στατιστικών δεικτών έγινε εκ νέου βελτιστοποίηση όλων των κριτηρίων του αλγορίθμου συνδυαστικά και διαπιστώθηκε αυξημένη απόδοση. Ο αλγόριθμος MedFTS_DT εφαρμόστηκε σε περίοδο δεκαετίας για την εξαγωγή κλιματολογίας στην περιοχή της Μεσογείου, υπολογίζοντας αφενός τις χωρικές και χρονικές συχνότητες εμφάνισης ψυχρών μετώπων και αφετέρου τη σύνδεση των ψυχρών μετώπων με τη βροχόπτωση.Η διατριβή κατέδειξε μια συνολικά ικανοποιητική απόδοση του αλγορίθμου MedFTS_DT, ενώ φάνηκε η καταλληλότητα του σχήματος κριτηρίων που επιλέχθηκε, ειδικά για την περιοχή της Μεσογείου. Αυτό δείχνει ότι η μετάβαση μια απλής βαροκλινικής ζώνης σε ένα οργανωμένο μέτωπο στη Μεσόγειο πράγματι απαιτεί στροφή του ανέμου, όπως διαπιστώνεται επιχειρησιακά. Επομένως το κινηματικό κριτήριο είναι απαραίτητο για τον εντοπισμό των ψυχρών μετώπων στη Μεσόγειο, ενώ τα θερμικά κριτήρια λειτουργούν συμπληρωματικά, φιλτράροντας τον αριθμό των εντοπισμένων μετώπων και βελτιώνοντας την απόδοση του αλγόριθμου. Η εφαρμογή του αλγόριθμου στη Μεσόγειο σε κλιματολογική βάση έδειξε ότι ο αλγόριθμος είναι ένα αποδοτικό και χρήσιμο εργαλείο για τη δημιουργία μιας αντικειμενικής ολοκληρωμένης κλιματολογίας των ψυχρών μετώπων στη Μεσόγειο, η οποία απουσιάζει από την διεθνή βιβλιογραφία.