Investigating wet-cold and cultural heritage-affecting compound events in Greece

Abstract

Compound climate and weather events have become an increasingly critical area of research due to their potential to exacerbate environmental, societal, and infrastructural risks. This thesis focuses on wet-cold compound events (WCCEs) in Greece, analyzing their historical occurrence (1980–2004), projecting their future changes (2025–2049), and assessing the potential impact of various compound events on built cultural heritage degradation. Through the integration of observational data, regional climate models (RCMs), statistical clustering methods, and impact-based analyses, this research provides novel insights into the dynamics, drivers, and consequences of these extreme events. The historical analysis of WCCEs in Greece reveals that these events are predominantly influenced by synoptic-scale atmospheric circulation patterns, with moisture-rich air masses originating primarily from the North, Northwest, and the Atlantic Ocean. Using backward trajectory (BT) clustering and Weather Pattern (WP) classification, the study identifies dominant air mass origins and large-scale conditions that favor WCCE formation. The findings show that the higher elevation stations such as Tripoli and Kastoria and accordingly the mountainous regions, are particularly vulnerable, as cold air outbreaks interact with Mediterranean moisture sources, resulting in increased precipitation and sub-zero temperatures. Future climate projections based on EURO-CORDEX RCM simulations under RCP4.5 and RCP8.5 climate change scenarios indicate a significant reduction in WCCEs across Greece by mid-century. This decline is attributed to rising winter temperatures and a weakening of cold air intrusions from Northern Europe, which reduces the likelihood of sub-zero conditions coinciding with heavy precipitation. The study also investigates the impact of climate extremes on cultural heritage, focusing on porous building materials susceptible to weathering processes. The results quantify the probability of occurrence of prolonged precipitation, frost cycles and salt transitions that affect the surface of monuments. The climatology of the period 1980-2004 is followed by the investigation of possible alterations in the period 2025-2049 using RCMs. These findings underscore the need for heritage climatology approaches to assess and mitigate climate risks to historical monuments and archaeological sites. This thesis makes several key contributions to the study of compound climate events in Greece. It provides the first comprehensive climatological study of WCCEs in Greece, integrating historical data analysis with future climate projections. The application of advanced statistical techniques, including K-means clustering, Principal Component Analysis (PCA), and Weather Pattern classification, identifies atmospheric preconditions and future trends of WCCEs. A novel linkage between compound climate events and cultural heritage degradation is also established, emphasizing the need for adaptive conservation strategies in a changing climate. The research highlights the pressing need for interdisciplinary approaches in climate risk assessment, adaptation planning, and cultural heritage conservation. As climate change continues to reshape weather extremes, future research should focus on high-resolution climate modeling, impact-based risk assessments, and integrated adaptation frameworks to safeguard both natural and built environments.

Τα σύνθετα κλιματικά και καιρικά φαινόμενα έχουν καταστεί ένα ολοένα και πιο κρίσιμο πεδίο έρευνας λόγω της δυνατότητας που έχουν να επιδεινώνουν περιβαλλοντικούς, κοινωνικούς και κινδύνους σε υποδομές. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στα σύνθετα υγρο-ψυχρά φαινόμενα (WCCEs) στην Ελλάδα, αναλύοντας την ιστορική τους εμφάνιση (1980–2004), προβλέποντας τις μελλοντικές τους αλλαγές (2025–2049) και αξιολογώντας τον πιθανό αντίκτυπο διαφόρων σύνθετων φαινομένων στην υποβάθμιση της δομημένης πολιτιστικής κληρονομιάς. Μέσω της ενσωμάτωσης δεδομένων από παρατηρήσεις, περιφερειακών κλιματικών μοντέλων (RCMs), στατιστικών μεθόδων ομαδοποίησης και αναλύσεων επιπτώσεων, η έρευνα αυτή παρέχει νέες γνώσεις σχετικά με τη δυναμική, τους μηχανισμούς και τις συνέπειες αυτών των ακραίων φαινομένων. Η ιστορική ανάλυση των WCCEs στην Ελλάδα αποκαλύπτει ότι τα φαινόμενα αυτά επηρεάζονται κυρίως από ατμοσφαιρικά κυκλοφοριακά μοτίβα σε συνοπτική κλίμακα, με μάζες αέρα πλούσιες σε υγρασία να προέρχονται κυρίως από τον Βορρά, Βορειοδυτικά και τον Ατλαντικό Ωκεανό. Χρησιμοποιώντας ομαδοποίηση οπισθοδρομικών τροχιών αέριων μαζών (BTs) και ταξινόμηση καιρικών μοτίβων (WPs), η μελέτη προσδιορίζει κυρίαρχες αέριες μάζες και μεγάλης κλίμακας συνθήκες που ευνοούν το σχηματισμό των WCCEs. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι υψηλού υψομέτρου σταθμοί, όπως της Τρίπολης και της Καστοριάς, καθώς και οι ορεινές περιοχές, είναι ιδιαίτερα ευάλωτες, καθώς οι εισβολές ψυχρού αέρα αλληλεπιδρούν με τις πηγές υγρασίας της Μεσογείου, οδηγώντας σε αυξημένη βροχόπτωση και θερμοκρασίες κάτω του μηδενός. Οι μελλοντικές κλιματικές προβολές, βασισμένες σε προσομοιώσεις RCMs του EURO-CORDEX υπό τα σενάρια κλιματικής αλλαγής RCP4.5 και RCP8.5, υποδεικνύουν σημαντική μείωση των WCCEs στην Ελλάδα μέχρι τα μέσα του αιώνα. Αυτή η μείωση αποδίδεται στην αύξηση των χειμερινών θερμοκρασιών και στην εξασθένηση των εισβολών ψυχρού αέρα από τη Βόρεια Ευρώπη, γεγονός που μειώνει την πιθανότητα ταυτόχρονης εμφάνισης θερμοκρασιών κάτω του μηδενός και έντονων βροχοπτώσεων. Η μελέτη εξετάζει επίσης την επίδραση των ακραίων κλιματικών φαινομένων στην πολιτιστική κληρονομιά, εστιάζοντας σε πορώδη δομικά υλικά που είναι ευάλωτα σε διαδικασίες αποσάθρωσης. Τα αποτελέσματα ποσοτικοποιούν την πιθανότητα εμφάνισης παρατεταμένων βροχοπτώσεων, κύκλων παγετού και μεταβολών των αλάτων, που επηρεάζουν την επιφάνεια των μνημείων. Tη χαρτογράφηση του κλίματος της περιόδου 1980–2004, ακολουθεί η διερεύνηση πιθανών μεταβολών για την περίοδο 2025–2049 μέσω των RCMs. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν την ανάγκη υιοθέτησης προσεγγίσεων κλιματολογίας της πολιτιστικής κληρονομιάς για την εκτίμηση και μετριασμό των κλιματικών κινδύνων που απειλούν ιστορικά μνημεία και αρχαιολογικούς χώρους. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση των σύνθετων κλιματικών φαινομένων στην Ελλάδα. Παρέχει την πρώτη ολοκληρωμένη κλιματολογική μελέτη των WCCEs στην Ελλάδα, συνδυάζοντας ανάλυση ιστορικών δεδομένων με μελλοντικές κλιματικές προβολές. Η εφαρμογή προηγμένων στατιστικών τεχνικών, όπως ομαδοποίηση K-means, Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (PCA) και ταξινόμηση καιρικών μοτίβων (WPs), επιτρέπει την ταυτοποίηση ατμοσφαιρικών προϋποθέσεων και μελλοντικών τάσεων των WCCEs. Επιπλέον, δημιουργείται μια καινοτόμος σύνδεση μεταξύ σύνθετων κλιματικών φαινομένων και της υποβάθμισης της πολιτιστικής κληρονομιάς, υπογραμμίζοντας την ανάγκη ανάπτυξης προσαρμοστικών στρατηγικών διατήρησης σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα. Η έρευνα αναδεικνύει την επιτακτική ανάγκη για διεπιστημονικές προσεγγίσεις στην εκτίμηση κλιματικών κινδύνων, τον σχεδιασμό προσαρμογής και τη διατήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Καθώς η κλιματική αλλαγή συνεχίζει να μεταβάλλει τα ακραία καιρικά φαινόμενα, μελλοντικές έρευνες θα πρέπει να επικεντρωθούν στην υψηλής ανάλυσης κλιματική προσομοίωση, στις εκτιμήσεις κινδύνου βασισμένες σε επιπτώσεις και στα ολοκληρωμένα προσαρμοστικά πλαίσια, ώστε να προστατευθούν τόσο τα φυσικά όσο και τα δομημένα περιβάλλοντα.