Η δυναμική της ατμόσφαιρας στην εμφάνιση σιφώνων στον ελλαδικό χώρο με την χρήση αριθμητικού μοντέλου καιρού μέσης – κλίμακας WRF (wather research and forecasting model)

Abstract

The objective of this PhD thesis was to study the dynamics of the atmosphere that favour the development of tornadoes (TR), waterspouts (WS) and funnel clouds (FC) over Greece within the period 1709-2012 from the point of view of Climatology, Synoptic Meteorology and Numerical Weather Prediction. The study area was emphasized over west Greece and south Aegean Sea. An online Greek tornado report system was developed to record any tornadic activity over Greece by the University of Athens (http://tornado.geol.uoa.gr/).A total of 612 tornadic events (TE) were recorded, within 405 unique days and categorized by type as: 171 TR, 374 WS and 67 FC from 1709 to 2012. The impact of tornadic activity was significant to structural facilities and to human life (114 injuries and 29 fatalities). Besides, 27.73 % of tornadic events were characterized in terms of intensity as T4 of TORRO scale. The annual mean of TE (2000-2012) over Greece was calculated to 42.15 events/year (10 TR/year, 27,69 WS/year), while the spatial annual mean was estimated to 3.19 events/104km2. The most vulnerable area was characterized the west Greece with TE 19.09/year (5.08 TR/year and 9.69 WS/year). TR exhibited an annual mean rate of 2.85 TR/year over NW Peloponnesus, while WS events showed a maximum occurrence over north Crete and Corfu, 10 WS/year and 6.92 WS/year, respectively.The seasonal distribution of TE, TR and WS indicated autumn as the dominant season, while tornadic days during autumn were estimated 4.75 days for TR and 7.17 days for WS events. October was the month with the maximum frequency for TR, followed by November; with an exception over the region of Macedonia where the maximum frequency occurred during June and July. The monthly distribution of WS days revealed October as the dominant month, followed by September. 75 % of TE were developed between 08:00 and 15:00 UTC, while the diurnal variation of TR showed a maximum from 11:00 to 13:00 UTC, in contrast to WS diurnal variation that exhibited two maxima: between 07:00-09:00 UTC and 14:00-15:00 UTC.During autumn season, the mean composite synoptic conditions of TR days over west Greece displayed a large trough along the central and southern Italy at 500 hPa isobaric level, and a closed cyclonic circulation over the Gulf of Taranto at mean sea level (MSL). The same mean daily composite synoptic conditions were characterized WS days over west Greece. During autumn season the mean daily composite synoptic conditions during WS days over south Aegean Sea showed a large trough line along the eastern parts of Greece at 500 hPa isobaric level, and a combination of high pressure over central Europe with the low pressures over SE Mediterranean Sea at MSL. During autumn the maximum daily composite anomaly was depicted at 500 hPa isobaric level, in contrast to winter when the maximum daily composite anomaly was calculated at the pressure level of 925 hPa and MSL. During autumn the maximum daily composite anomaly of WS days was observed at the isobaric level of 500 hPa.48% of TR events, that occurred over west Greece, developed in the warm sector of the cold front (pre - frontal events) and in a distance less than 50 km from the active cold front line, while the 27% of TR events developed in the cold area of the cold front (after the passage of the front). There was not detected any correlation between warm fronts (pre-frontal and post- frontal activity) and TR events.During autumn season, the favour synoptic types over west Greece for TR were the Type-7 and Type-12, with a frequency of 3.56 % and 6.79 % TR days, respectively, while for WS were the Type-7, 3 and 12 with a frequency of 3.8 %, 1.23 % and 3.85 % WS days, respectively. During autumn, the dominant synoptic types for WS development over south Aegean Sea were the Type-11, 6 and 13, with a frequency of 2.86 %, 0.7% and 1.66 % WS days, respectively.The thermodynamic profile of the atmosphere during WS days over south Aegean Sea revealed atmospheric conditions associated with insignificant unstable conditions retrieved from the thermodynamic indices (LI, SW, K, CAPE, BRN) and a passage of a minor trough at the middle atmosphere over east parts of Greece. The mean wind speed in the lower atmosphere during WS days over the south Aegean sea, exhibited values less than 15 knots, while the mean wind direction was calculated from NW directions. In addition, the vertical wind profile showed a successive backing and veering up to the level of 500 hPa. The temperature differences between the levels of 1000 hPa and 500, 700, 850 and 925 hPa, as well as SST and the aforementioned upper air isobaric levels showed quasi similar differences on seasonal basis. SST over south Aegean Sea during autumn WS days showed a range of SST values from 25.35 to 16.50 °C (mean 22.77 °C), in contrast to winter, when SST was calculated 19.10-15.3 °C (mean 19.1 °C).Numerical simulations with the use of WRF-ARW numerical model confirmed its ability to reproduce/simulate the atmospheric conditions and to assess the spatiotemporal evolution of the maximum values of the tornadogenesis indices such as EHI, SRH, MCAPE, at least 12 forecasting hours prior the onset of TR and quite near to the location of formation. The study of the orography effect by applying numerical simulations of TR events associated with synoptic force, illustrated that topography played an important role in the development of TR in Thebes of Boeotia on 17/11/2007 and in Vrastama of Halkidiki on 12/2/2010, in contrast to the numerical simulations of TR events over west Greece (in Vlychos of Lefkas on 21/9/2011 and in Varda of Ilias on 25/3/2009).

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της δυναμικής της ατμόσφαιρας μέσα από το πρίσμα της Κλιματολογίας, της Συνοπτικής Μετεωρολογίας και της Αριθμητικής Πρόγνωσης στην εμφάνιση των σιφώνων (TR) και υδροσιφώνων (WS) στον Ελλαδικό χώρο, με έμφαση στη δυτική Ελλάδα και στο νότιο Αιγαίο, για την χρονική περίοδο 1709-2012. Μέσα από την παρούσα διατριβής αναπτύχθηκε ο ιστότοτπος του Πανεπιστημίου Αθηνών για την καταγραφή των σιφώνων και υδροσιφώνων που εκδηλώνονται στον Ελλαδικό χώρο (http://tornado.geol.uoa.gr/).Τη χρονική περίοδο 1709-2012, καταγράψαμε 612 γεγονότα ΤΕ, τα οποία εμφανίστηκαν σε 405 μοναδικές ημέρες και κατηγοριοποιήθηκαν με βάση τον τύπο τους ως: 171 TR, 374 WS και 67 FC. Οι επιπτώσεις ήταν σημαντικές τόσο σε δομικά στοιχεία, σε καλλιέργειες όσο και σε ανθρώπινα θύματα (114 άνθρωποι τραυματίστηκαν και 29 τραυματίστηκαν θανάσιμα). Η επικρατέστερη ένταση σιφώνων στην Ελλάδα, με ποσοστό 27,73 %, είναι η ένταση Τ4 της κλίμακας ΤORRO. Η μέση ετήσια συχνότητα εμφάνισης ΤΕ (2000-2012) στη χώρα μας είναι 42,15 γεγονότα/έτος (10 TR/έτος, 27,69 WS/έτος) ενώ η μέση ετήσια χωρική συχνότητα εμφάνισης είναι 3,19 γεγονότα/104km2. Επιδεκτικότερη περιοχή εμφάνισης είναι η δυτική Ελλάδα με 19,09 ΤΕ/έτος (5,08 TR/έτος και 9,69 WS/έτος). Οι TR εμφανίζουν μέση ετήσια συχνότητα 2,85 TR/έτος στη ΒΔ Πελοπόννησο, ενώ οι WS εμφανίζουν 10 WS/έτος στη βόρεια Κρήτη και ακολουθεί η Κέρκυρα με 6,92 WS/έτος.Η εποχική κατανομή των ΤΕ, TR και WS αποτυπώνει τη φθινοπωρινή περίοδο ως την επικρατέστερη εποχή εμφάνισης τους, ενώ η εποχική κατανομή των ημερών εμφάνισης τους υπολογίστηκε σε 4,75 ημέρες με εκδήλωση TR και σε 7,17 ημέρες με εκδήλωση WS το φθινόπωρο. Ο Οκτώβριος είναι ο μήνας με τη μέγιστη συχνότητα εμφάνισης TR και ακολουθεί ο Νοέμβριος με εξαίρεση την περιοχή της Μακεδονίας που παρουσιάζει μέγιστο τον Ιούνιο και τον Ιούλιο. Η μηνιαία κατανομή των ημερών εμφάνισης WS παρουσιάζει ως συχνότερο μήνα εμφάνισης τον Οκτώβριο και ακολουθεί ο Σεπτέμβριος. Το 75% των ΤΕ αναπτύχθηκαν από τις 08:00 έως τις 15:00 UTC, ενώ η ημερήσια διακύμανση των TR παρουσιάζει μέγιστο από τις 11:00 έως τις 13:00 UTC, σε αντίθεση με την ημερήσια διακύμανση των WS που παρουσιάζει δύο μέγιστα: στις 07:00-09:00 UTC και στις 14:00-15:00 UTC.Kατά την φθινοπωρινή περίοδο, η μέση συνοπτική κατάσταση των ημερών εμφάνισης TR στη δυτική Ελλάδα: α) στα 500 hΡa, χαρακτηρίζεται από μία εκτεταμένη διαταραχή κατά μήκος της κεντρικής και νότιας Ιταλίας και β) στη μέση στάθμη θάλασσας (ΜΣΘ) παρατηρείται μία κλειστή κυκλωνική κυκλοφορία στον κόλπο του Τάραντα. Όμοια συνοπτική κατάσταση χαρακτηρίζει και τις ημέρες εκδήλωσης WS στη δυτική Ελλάδα. Κατά την εκδήλωση WS τη φθινοπωρινή περίοδο στις βόρειες ακτές της Κρήτης η μέση συνοπτική κατάσταση : α) στα 500 hPa χαρακτηρίζεται από μία εκτεταμένη διαταραχή κατά μήκος των ανατολικών τμημάτων της χώρας και β) στη ΜΣΘ αποτυπώνεται συνδυασμός των υψηλών πιέσεων της κεντρικής Ευρώπης με τις χαμηλές πιέσεις στη ΝΑ Μεσόγειο. Κατά τη φθινοπωρινή περίοδο, τις ημέρες δημιουργίας TR στη δυτική Ελλάδα, η μέγιστη ανωμαλία παρατηρήθηκε στα 500 hPa, ενώ τη χειμερινή περίοδο η μέγιστη ανωμαλία παρατηρήθηκε στις στάθμες των 925 hPa και ΜΣΘ .Κατά την εμφάνιση WS στη δυτική Ελλάδα, οι μέγιστες ανωμαλίες παρατηρήθηκαν το φθινόπωρο και στη στάθμη των 500 hPa.Το 48 % των γεγονότων σιφώνων (TR) στη δυτική Ελλάδα εκδηλώθηκαν στο θερμό τομέα του ψυχρού μετώπου (προ-μετωπικό περιβάλλον), με τη θέση του ψυχρού μετώπου να βρίσκεται σε απόσταση μικρότερη των 50 km, ενώ το 27 % των περιπτώσεων εκδηλώθηκε στον ψυχρό τομέα του ψυχρού μετώπου (μετά τη διέλευση του μετώπου). Δεν εντοπίστηκε συσχέτιση μεταξύ θερμού μετώπου (προ-μετωπικά και μετά-μετωπικά) και εκδήλωσης TR.Κατά την φθινοπωρινή περίοδο στη δυτική Ελλάδα ο επικρατέστερος τύπος καιρού για την εμφάνιση : α) TR: ήταν ο Τύπος-7 και Τύπος-12, με συχνότητα εμφάνισης 3.56 % και 6,79 % αντίστοιχα και β) WS: ήταν ο Τύπος-7, 3 και 12 με συχνότητα εμφάνισης 3,8 %, 1,23 % και 3,85 %. Κατά την φθινοπωρινή περίοδο στην περιοχή του νοτίου Αιγαίου ο επικρατέστερος τύπος καιρού για την εμφάνιση WS ήταν ο Τύπος-11, 6 και 13 με συχνότητα εμφάνισης 2,86 %, 0,7 % και 1,66 %, αντίστοιχαΤο θερμοδυναμικό προφίλ της ατμόσφαιρας κατά τις ημέρες εκδήλωσης WS στο νότιο Αιγαίο αποτύπωσε ατμοσφαιρικές συνθήκες με χαμηλές τιμές θερμοδυναμικών δεικτών (LI, SW, K, CAPE, BRN) και την διέλευση μιας μικρής διαταραχής στη μέση ατμόσφαιρα. Κατά τις ημέρες εκδήλωσης WS στη θαλάσσια περιοχή βόρεια της Κρήτης η μέση ένταση των ανέμων στην κατώτερη ατμόσφαιρα ήταν μικρότερη των 15 Knots, ενώ η μέση διεύθυνση ήταν από ΒΔ διευθύνσεις και το κατακόρυφο προφίλ των ανέμων αποτύπωσε μία διαδοχική αντιστροφή και στροφή μέχρι το βαρομετρικό επίπεδο των 500 hPa. Η διαφορά θερμοκρασίας τόσο της στάθμης των 1000 hPa, όσο και της SST με τις βαρομετρικές στάθμες των 500-700-850 και 925 hPa αποτύπωσε ένα σταθερό εποχικό εύρος τιμών της θερμοκρασίας. Κατά τη φθινοπωρινή περίοδο, στο νότιο Αιγαίο τις ημέρες εκδήλωσης WS το εύρος τιμών της SST είναι 25,35-16,50 °C με τη μέση τιμή στους 22,77 °C, ενώ το χειμώνα 19,10-15,3 °C και 19,1 °C, αντίστοιχα.Οι αριθμητικές προσομοιώσεις της ατμόσφαιρας με τη χρήση του αριθμητικού μοντέλου WRF-ARW επιβεβαίωσαν την ικανότητα του μοντέλου να αναπαράγει τις ατμοσφαιρικές συνθήκες ώστε να προσομοιώσουν την πραγματική ατμοσφαιρική κατάσταση και απέδειξαν την ικανότητα του να αποτυπώσει τη χωροχρονική εξέλιξη των δεικτών EHI, SRH, MCAPE με τις μέγιστες τιμές τους τουλάχιστον 12 ώρες πριν την εκδήλωση του TR και αρκετά κοντά στις περιοχές εκδήλωσής του. Η μελέτη της επίδρασης της ορογραφίας στις αριθμητικές προσομοιώσεις εκδήλωσης TR που σχετίζονται με συνοπτικό αίτιο ανύψωσης απέδειξε ότι η τοπογραφία έπαιξε σημαντικό ρόλο στην εκδήλωση του TR στη Θήβα Βοιωτίας στις 17/11/2007 και στα Βράσταμα Χαλκιδικής στις 12/2/2010. Το έντονο μορφολογικό ανάγλυφο αποδείχθηκε σημαντικό παράγοντας καθώς οι τιμές των παραπάνω διαγνωστικών δεικτών διπλασιάστηκαν λόγω της ύπαρξης της. Σε αντίθεση η αριθμητική προσομοίωση των περιπτώσεων στη δυτική Ελλάδα (Βλυχός Λευκάδος στις 21/9/2011 και Βάρδα Hλείας στις 25/3/2009) απέδειξε ότι η τοπογραφία δεν έπαιξε τόσο σημαντικό ρόλο ή σχεδόν καθόλου ρόλο στην εξέλιξη των τιμών των διαγνωστικών παραμέτρων.