Αντικειμενικός ορισμός και μεταβλητότητα των εποχών στην περιοχή της Μεσογείου

Abstract

This doctoral dissertation is an extensive attempt to objectively define the seasons for the Mediterranean region during the period 1949-2018 using multiple methods. The aim of this research effort is to create a “new” definition of the seasons, different from the conventional one, based on objective criteria. Also, possible changes in the main characteristics of the seasons (start/end dates and duration) during the 70-year study period are investigated. In the first part of this dissertation, the definition of seasons includes the study of the mean inter-annual variation of 12 meteorological parameters. The data are obtained from the NCEP/NCAR database and are daily values (12UTC) of the following parameters: precipitation rate, convective precipitation rate, temperature at 2 meters above the earth's surface, total cloud cover, zonal and meridional wind components at 10 meters above the earth's surface, 500hPa and 1000hPa geopotential heights, 500hPa and 850hPa air temperature, 850hPa specific humidity and precipitable water. First, the mean intra-annual variations of the above parameters are calculated and Principal Component Analysis (PCA) is applied, in order to reduce the large amount of data, and next k-mean Cluster Analysis (CA) is applied on the time series of the Principal Components in order to group the dates of the year with similar patterns of the above parameters. The date groups obtained can be considered as the objectively defined seasons. This method, called Meteorological Variables mean intra-annual Variation method (MVV), is applied again for the five overlapping 30-year subperiods: 1949-1978, 1959-1988, 1969-1998, 1979-2008 and 1989-2018, with the aim of investigating possible long-term changes of the seasons’ characteristics. According to the results, 4 seasons are defined for all time periods. Although these seasons correspond to the four conventional seasons, there are differences in their onset/cessation dates and duration. According to the MVV method, winter lasts about 4 months, spring and summer last a little less than 3 months and autumn lasts about 2.5 months. The most notable long-term changes in the characteristics of the seasons are: i) the decrease in the duration of winter and spring due to the delay of their onset, and ii) the extension of autumn due to the delay of its end. In the second part of the dissertation, another method of objectively defining the seasons is adopted, which is based on the definition of Weather Types (WTs). The meteorological parameters used in this method are the same as those used in the MVV method but without taking into account the two precipitation parameters. Initially, PCA and CA are applied to the daily values of the parameters of the 70-year period 1949-2018 and groups are formed whose dates have common synoptic characteristics. Each of these groups corresponds to a Weather Type (WT). Therefore, 8 WTs are defined and their characteristics are studied, including the prevailing synoptic conditions and their monthly and annual frequency distributions. Then, PCA and CA are applied again, but this time on the intra-annual variations of the WTs’ frequencies. As a result, the dates within the year that have a similar frequency distribution among the 8 WTs are classified into groups which can be considered as the objectively defined seasons. According to this method, which is called Weather Types’ Frequency method (WTF), winter and summer last about 4 months and spring and autumn last about 2 months. The most significant changes in the limits and duration of the seasons resulting from the WTF method are: i) the shortening of winter and spring in the most recent periods, related to later start dates and earlier end dates, respectively, ii) the extension of autumn and summer, due to later end dates, and earlier start and later end dates, respectively. In the third part of the thesis, the definition of seasons is based on the cyclones and their tracks which affect the Mediterranean region. The analysis is performed using Mean Sea-Level Pressure (MSLP) data with a temporal analysis of 6 hours (00, 06, 12 and 18 UTC) and high spatial resolution (1°×1°). The data are obtained from the state-of-the-art reanalysis database ERA5 and refer to the period 1950-2018. The main cyclogenesis and high-density areas are identified and are the Gulf of Genoa, the Atlas Mountain range, the Iberian Peninsula, the Cyprus region, the Black Sea and the Middle East. Then, a statistical analysis is performed using PCA and CA, in order to classify the cyclone tracks that were detected into groups and as a result 12 Cyclone tracks’ Clusters (CCs) are revealed. The main characteristics of the 12 CCs are analyzed, such as their preferred paths, their persistence throughout the year as well as the areas affected. Also, by utilizing the mean intra-annual variations of the frequencies of the 12 CCs, the Mediterranean seasons are defined. According to the results, four seasons are objectively defined which correspond to the conventional ones but present differences in their limits and duration. This method is called Cyclones Tracks’ Frequency method (CTF). In contrast with the two previous methods used, the MVV and WTF, the seasons defined by the CTF method are not continuous, which makes it difficult to distinctly define the seasons. According to the CTF method, winter lasts 4 months, summer lasts 3.5 months while spring and autumn last a little longer than 2 months. Also, the application of the CTF method on the 5 overlapping 30-year subperiods, as was followed in the previous methods, results in the definition of five seasons in some cases. Finally, a synthesis method (S method) of the above three methods, the MVV, WTF and CTF, is applied. According to this method, CA is applied to the unified matrix of the Principal Components of the three individual aforementioned methods. Therefore, the S method is a complete attempt to objectively define the Mediterranean seasons, since it takes into account the mean intra-annual variations of a variety of meteorological parameters, the prevailing weather types and the depressions affecting the region under study. According to the S method, the seasons are as follows: winter which begins on November 16 and ends on March 25 lasting more than 4 months (131 days), spring which is the period March 26 - June 11 with a duration of about 2.5 months (78 days), summer which follows until September 12 and lasts 3 months (93 days) and finally autumn (September 13 - November 15) which closes the annual cycle with a duration of 2 months (63 days). Also, the long-term changes of the characteristics of the seasons are investigated and it is found that: winter starts later and ends later in recent years and has become shorter, spring arrives and leaves earlier in recent periods and lasts a little less, summer comes earlier and ends later and therefore is longer, and finally autumn begins and ends later and its duration increases.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια εκτεταμένη προσπάθεια αντικειμενικού ορισμού των εποχών για την περιοχή της Μεσογείου κατά την περίοδο 1949-2018 με τη χρήση πολλαπλών μεθόδων. Στόχος αυτής της ερευνητικής προσπάθειας είναι η δημιουργία ενός “νέου” ορισμού των εποχών, διαφορετικού από το συμβατικό, βασισμένου σε αντικειμενικά κριτήρια. Ακόμα, διερευνώνται πιθανές αλλαγές στα κύρια χαρακτηριστικά των εποχών (ημερομηνίες έναρξης/λήξης και διάρκεια) κατά την 70ετή περίοδο μελέτης. Στο πρώτο τμήμα της διατριβής ο ορισμός των εποχών επιτυγχάνεται μέσω της μελέτης της μέσης ενδοετήσιας πορείας 12 μετεωρολογικών παραμέτρων. Τα δεδομένα ελήφθησαν από την βάση δεδομένων NCEP/NCAR και αφορούν ημερήσιες τιμές (12UTC) των εξής παραμέτρων: ρυθμός υετού, ρυθμός ανωμεταφορικού υετού, θερμοκρασία στα 2 μέτρα από την επιφάνεια της γης, ολική νεφοκάλυψη, ζωνική και μεσημβρινή συνιστώσα του ανέμου στα 10 μέτρα από την επιφάνεια της γης, γεωδυναμικά ύψη των ισοβαρικών επιφανειών των 500hPa και των 1000hPa, θερμοκρασία στις ισοβαρικές επιφάνειες 500hPa και 850hPa, ειδική υγρασία της ισοβαρικής επιφάνειας των 850hPa και υετίσιμο ύδωρ. Αρχικά, υπολογίζονται οι μέσες ενδοετήσιες διακυμάνσεις των παραπάνω παραμέτρων και στη συνέχεια εφαρμόζεται η Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis, PCA), προκειμένου να μειωθεί ο μεγάλος όγκος των δεδομένων, και η Ανάλυση κατά Συστάδες των k-μέσων (k-mean Cluster Analysis) στις χρονοσειρές των Κύριων Συνιστωσών ώστε να γίνει η ομαδοποίηση των ημερομηνιών του έτους με παρόμοια μοτίβα των παραπάνω παραμέτρων. Οι ομάδες ημερομηνιών που προκύπτουν μπορούν να θεωρηθούν ως οι αντικειμενικά ορισμένες εποχές. Η μέθοδος αυτή, η οποία ονομάζεται Meteorological Variables mean intra-annual Variation method (MVV), εφαρμόζεται ξανά και για τις πέντε επικαλυπτόμενες 30ετείς υποπεριόδους: 1949-1978, 1959-1988, 1969-1998, 1979-2008 και 1989-2018, με σκοπό τη διερεύνηση πιθανών μακροπρόθεσμων αλλαγών των χαρακτηριστικών των εποχών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ορίζονται 4 εποχές για όλες τις περιόδους. Αν και αυτές οι εποχές αντιστοιχούν στις 4 συμβατικές εποχές, υπάρχουν διαφορές στις ημερομηνίες έναρξης/λήξης και στη διάρκειά τους. Σύμφωνα με τη μέθοδο MVV, ο χειμώνας διαρκεί περίπου 4 μήνες, η άνοιξη και το θέρος λίγο λιγότερο από 3 μήνες και το φθινόπωρο διαρκεί περίπου 2,5 μήνες. Οι πιο αξιοσημείωτες μακροπρόθεσμες αλλαγές των χαρακτηριστικών των εποχών είναι: i) η μείωση της διάρκειας του χειμώνα και της άνοιξης λόγω καθυστέρησης της έναρξής τους και ii) η παράταση του φθινοπώρου λόγω καθυστέρησης της λήξης του. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, υιοθετείται μια άλλη μέθοδος αντικειμενικού ορισμού των εποχών, η οποία βασίζεται στον ορισμό των τύπων καιρού (Weather Types, WTs). Οι μετεωρολογικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο αυτή είναι οι ίδιες με αυτές της μεθόδου MVV χωρίς όμως να λαμβάνονται υπόψιν οι δύο παράμετροι του υετού. Αρχικά, εφαρμόζονται η PCA και η CA στις ημερήσιες τιμές των παραμέτρων της 70ετούς περιόδου 1949-2018 και σχηματίζονται ομάδες των οποίων οι ημερομηνίες παρουσιάζουν κοινά συνοπτικά χαρακτηριστικά. Κάθε μία από αυτές τις ομάδες αποτελεί έναν Τύπο Καιρού (WT). Συνεπώς, ορίζονται 8 WTs και μελετώνται τα χαρακτηριστικά τους, συμπεριλαμβανομένων των συνοπτικών συνθηκών που κυριαρχούν και των μηνιαίων και ετήσιων κατανομών των συχνοτήτων τους. Στη συνέχεια, η PCA και η CA εφαρμόζονται ξανά, αλλά αυτή τη φορά στις ενδοετήσιες διακυμάνσεις των συχνοτήτων των WTs. Ως αποτέλεσμα, οι ημερομηνίες εντός του έτους οι οποίες παρουσιάζουν παρόμοια κατανομή συχνοτήτων των 8 WTs ταξινομούνται σε ομάδες οι οποίες αποτελούν τις αντικειμενικά ορισμένες εποχές. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, η οποία ονομάζεται Weather Types’ Frequency method (WTF), ο χειμώνας και το θέρος διαρκούν περίπου από 4 μήνες και η άνοιξη και το φθινόπωρο περίπου από 2 μήνες. Οι σημαντικότερες διαχρονικές αλλαγές στα όρια και στη διάρκεια των εποχών που προκύπτουν από τη μέθοδο WTF είναι: i) η σμίκρυνση του χειμώνα και της άνοιξης στις πιο πρόσφατες περιόδους, που σχετίζεται με αργότερες ημερομηνίες έναρξης και γρηγορότερες ημερομηνίες λήξης, αντίστοιχα, και ii) η παράταση του φθινοπώρου και του θέρους, λόγω καθυστέρησης της λήξης, και γρηγορότερης έναρξης και καθυστερημένης λήξης, αντίστοιχα. Κατά το τρίτο τμήμα της διατριβής, ο ορισμός των εποχών γίνεται μέσω της μελέτης των υφέσεων και των τροχιών τους, οι οποίες επηρεάζουν την περιοχή της Μεσογείου. Η ανάλυση πραγματοποιείται αξιοποιώντας δεδομένα πίεσης στη μέση στάθμη της θάλασσας (Mean Sea-Level Pressure, MSLP) με χρονική ανάλυση 6ώρου (00, 06, 12 και 18 UTC) και υψηλή χωρική ανάλυση (1°×1°). Τα δεδομένα ελήφθησαν από την υπερσύγχρονη βάση δεδομένων reanalysis ERA5 και αναφέρονται στην περίοδο 1950-2018. Οι κύριες περιοχές κυκλογένεσης και οι περιοχές υψηλής πυκνότητας των τροχιών των υφέσεων εντοπίζονται και είναι ο Κόλπος της Γένοβας, η οροσειρά του Άτλαντα, η Ιβηρική χερσόνησος, η περιοχή της Κύπρου, η Μαύρη Θάλασσα και η Μέση Ανατολή. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η στατιστική ανάλυση εφαρμόζοντας τις PCA και CA, με σκοπό την ταξινόμηση των τροχιών των υφέσεων που εντοπίστηκαν σε ομάδες και τελικά δημιουργούνται 12 ομάδες τροχιών υφέσεων (Cyclone tracks’ Clusters, CCs). Αναλύονται τα κύρια χαρακτηριστικά των 12 CCs, όπως οι κύριες πορείες που ακολουθούν, η εμμονή τους μέσα στο έτος καθώς και οι περιοχές επιρροής τους. Ακόμα, αξιοποιώντας τις ενδοετήσιες διακυμάνσεις των συχνοτήτων των 12 CCs, ορίζονται οι εποχές της Μεσογείου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ορίζονται αντικειμενικά 4 εποχές οι οποίες αντιστοιχούν στις συμβατικές αλλά παρουσιάζουν διαφορές στα όρια και στη διάρκειά τους. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται Cyclones Tracks’ Frequency method (CTF). Σε σχέση με τις προηγούμενες δύο μεθόδους που εφαρμόστηκαν, τις MVV και WTF, οι εποχές που ορίζει η μέθοδος CTF δεν είναι συνεχείς γεγονός που κάνει τον ακριβή ορισμό των ορίων τους δύσκολο. Σύμφωνα με τη μέθοδο CTF, ο χειμώνας διαρκεί 4 μήνες, το θέρος 3,5 μήνες, ενώ η άνοιξη και το φθινόπωρο έχουν διάρκεια λίγο μεγαλύτερη από 2 μήνες. Επίσης, η εφαρμογή της μεθόδου CTF στις 5 επικαλυπτόμενες 30ετείς υποπεριόδους, όπως ακολουθήθηκε και στις προηγούμενες μεθόδους, έχει ως αποτέλεσμα σε κάποιες περιπτώσεις να ορίζονται πέντε εποχές. Τέλος, εφαρμόζεται μια μέθοδος σύνθεσης (Synthesis method - S) των τριών παραπάνω μεθόδων, της MVV, της WTF και της CTF. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, εφαρμόζεται η CA στον ενοποιημένο πίνακα των Κύριων Συνιστωσών των τριών επιμέρους μεθόδων που προαναφέρθηκαν. Συνεπώς, η μέθοδος S αποτελεί μια ολοκληρωμένη προσπάθεια αντικειμενικού ορισμού των εποχών της Μεσογείου, καθώς λαμβάνει υπόψιν τις μέσες ενδοετήσιες διακυμάνσεις πλήθους μετεωρολογικών παραμέτρων, τους κυρίαρχους τύπους καιρού και τις υφέσεις που επηρεάζουν την περιοχή μελέτης. Σύμφωνα με τη μέθοδο S, οι εποχές είναι οι εξής: ο χειμώνας ο οποίος ξεκινά στις 16 Νοεμβρίου και τελειώνει στις 25 Μαρτίου και διαρκεί περισσότερο από 4 μήνες (131 ημέρες), η άνοιξη η οποία είναι η περίοδος 26 Μαρτίου - 11 Ιουνίου με διάρκεια περίπου 2,5 μήνες (78 ημέρες), το θέρος το οποίο ακολουθεί έως τις 12 Σεπτεμβρίου και διαρκεί 3 μήνες (93 ημέρες) και τέλος το φθινόπωρο (13 Σεπτεμβρίου - 15 Νοεμβρίου) το οποίο κλείνει τον ετήσιο κύκλο με διάρκεια 2 μηνών (63 ημέρες). Ακόμα, διερευνώνται και οι διαχρονικές αλλαγές των χαρακτηριστικών των εποχών και βρίσκεται ότι: ο χειμώνας ξεκινά αργότερα και τελειώνει αργότερα τα τελευταία χρόνια και έχει γίνει πιο σύντομος, η άνοιξη έρχεται και φεύγει νωρίτερα τις πιο πρόσφατες περιόδους και διαρκεί λίγο λιγότερο, το θέρος έρχεται νωρίτερα και τελειώνει αργότερα και επομένως είναι μεγαλύτερο, και τέλος το φθινόπωρο αρχίζει και τελειώνει αργότερα και η διάρκειά του αυξάνεται.