ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΙΣ

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Υδατικών Πόρων ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΙΣ Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΙΣ Εικόνα εξωφύλλου. Νέφος πάνω από ορεινό όγκο Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2011

4 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ: Κατακρημνίσεις ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 4

5 ΕΙΔΗ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΩΝ Ο όρος κατακρημνίσματα χρησιμοποιείται για να περιγράψει μαζικά τις μετρήσιμες ποσότητες νερού που φτάνουν στην επιφάνεια της γης ως συνέπεια της υγροποίησης ατμοσφαιρικών υδρατμών. Στην Ελλάδα κυριαρχούν τρεις κύριες μορφές κατακρημνισμάτων: Βροχή: είναι το συνηθέστερο φαινόμενο, υπερέχει ποσοτικά πολύ των άλλων μορφών κατακρημνισμάτων και δημιουργεί τα σημαντικότερα φαινόμενα επιφανειακής απορροής Xιόνι: είναι η κυριότερη πηγή της εαρινής και θερινής απορροής Χαλάζι: έχει καταστροφικά αποτελέσματα, ιδίως στη γεωργία Υπάρχουν και άλλες μορφές κατακρημνισμάτων, όπως π.χ. το χιονόβροχο Διαφορετικό μηχανισμό γέννησης και μικρότερη σημασία για την υδρολογία έχουν οι υδρολογικές αποθέσεις που περιλαμβάνουν τη δρόσο, τη πάχνη, τη βρέχουσα ομίχλη και την αχλύ. 5

6 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (1/4) Πίεση υδρατμών, e ή e * (hpa) Τελική κατάσταση T = 21.1 o C (σημείο δρόσου) e * = 25 hpa, e = 25 hpa U = 100% ea = eb = eγ = 25 hpa Ενδιάμεση κατάσταση T = 28 o C e * = 38.8 hpa, e = 25 hpa U = 66.1% Αρχική κατάσταση T = 35 o C e * = 56.2 hpa, e = 25 hpa U = 44.5% Γ B A Διάγραμμα 1. Σχέση πίεσης υδρατμών, πίεσης κορεσμού, θερμοκρασίας, σχετικής υγρασίας και σημείου δρόσου Θερμοκρασία, T ( o C) 6

7 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (2/4) Διάγραμμα 2. Σχέση θερμοκρασίας σχετικής υγρασίας 7

8 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (3/4) ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΩΝ Δημιουργία θερμοδυναμικής κατάστασης κορεσμού των υδρατμών. Σχεδόν πάντα είναι αποτέλεσμα της διόγκωσης και ψύξης του εμπλουτισμένου σε υγρασία αέρα κατά την ανοδική πορεία του. Η ανοδική κίνηση ευνοείται σε συνθήκες ασταθούς ατμόσφαιρας, δηλαδή σε συνθήκες απότομης μείωσης της θερμοκρασίας του αέρα με το υψόμετρο Συμπύκνωση των υδρατμών σε λεπτά σταγονίδια ενδεικτικής μέσης διαμέτρου 10 ως 30 μm ή μικρούς κρυστάλλους (ανάλογα με τη θερμοκρασία που επικρατεί). Για να πραγματοποιηθεί απαιτείται η διεργασία της πυρηνοποίησης ΠΥΡΗΝΟΠΟΙΗΣΗ (NUCLEATION PROCESS). Η δράση ειδικών σωματιδίων (πυρήνες) κατά την υγροποίηση των υδρατμών στα νέφη. Η υγροποίηση απαιτεί τη δημιουργία διεπιφάνειας μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης και άρα την ύπαρξη υγροσκοπικών πυρήνων. Η διεργασία έχει μεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις και πραγματοποιείται δυσκολότερα αν ο πυρήνας αποτελείται από μόρια νερού (ομογενής πυρηνοποίηση). Αντίθετα η διεργασία ευνοείται αν ο πυρήνας έχει διαφορετική προέλευση όπως σκόνη, προϊόντα καύσης, κρύσταλλοι άλατος (ετερογενής πυρηνοποίηση). 8

9 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (4/4) ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΩΝ Εντυπωσιακή αύξηση της μάζας των σταγόνων(ή των κρυστάλλων πάγου) σε μεγέθη κατακρημνίσιμα. Η αύξηση μπορεί να είναι 10 6 φορές και πραγματοποιείται μέχρις ότου οι δυνάμεις βαρύτητας της μεμονωμένης σταγόνας υπερνικήσουν την αιώρηση που της δημιουργεί η τυρβώδης διάχυση (διεργασίες σύμφυσης των σταγονιδίων - ανάπτυξης των παγοκρυστάλλων) ΣΥΜΦΥΣΗ ΝΕΦΟΣΤΑΓΟΝΙΔΙΩΝ (COALESCENCE PROCESS). Ο σχηματισμός μιας μόνον υγρής σταγόνας από την ένωση δύο ή περισσότερων σταγόνων που συγκρούονται. Η διεργασία πραγματοποιείται στα θερμά νέφη, όπου με τις συγκρούσεις μεταξύ των νεφοσταγονιδίων επιτυγχάνεται ο πολλαπλασιασμός της μάζας τους σε κατακρημνίσιμα μεγέθη. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΑΓΟΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ (ICE CRYSTAL PROCESS). Η επαύξηση της μάζας των παγοκρυστάλλων με την απορρόφηση των γειτονικών υγρών σταγόνων. Η διεργασία πραγματοποιείται στα ψυχρά νέφη, όπου σε θερμοκρασίες μικρότερες του μηδενός συνυπάρχουν παγοκρύσταλλοι με νεφοσταγονίδια. Όταν τα τελευταία παγώνουν πριν ενωθούν με τους παγοκρυστάλλους έχουμε την διεργασία της πρόσφυσης (accretion) Συνεχής τροφοδότηση με νέους υδρατμούς, ώστε να συντηρηθούν επί αρκετό χρόνο οι διεργασίες των τριών προηγούμενων βημάτων 9

10 ΧΙΟΝΙ Το χιόνι (snow) είναι μορφή κατακρήμνισης που δημιουργείται από τη συμπύκνωση των υδρατμών σε θερμοκρασία κατώτερη των 0 ο C. Κατακρημνίζεται με τη μορφή απλών κρυστάλλων ή συνδυασμών και εναποτίθεται στο έδαφος σαν χιονοκάλυψη (snow cover), εκτός αν λειώσει κατά τη διαδρομή του στην ατμόσφαιρα και να μετατραπεί σε βροχή. Συνεχής χιονόπτωση μπορεί να σχηματίσει συσσώρευση χιονιού(snow pack) στο έδαφος. Στις πολικές περιοχές αλλά και στα ψηλότερα όρη, όπου πέφτει σε μεγάλη ποσότητα και έκταση, η πίεση των επάνω στρώσεων το μετατρέπει σε πάγο, σχηματίζοντας έτσι τους παγετώνες(glacier). Μετά την εναπόθεση του χιονιού αρχίζει η διαδικασία του μεταμορφισμού όπου οι δενδριτικοί παγοκρύσταλλοί αποσυντίθενται σε θραύσματα τα οποία στη συνέχεια μεγαλώνουν και γίνονται πιο στρογγυλά. Εάν υπάρχει θερμοβαθμίδα στο συσσωρευμένο χιόνι οι μεγαλύτεροι κόκκοι σχηματίζονται κοντά στο έδαφος και ονομάζονται πάχνη βάθους(depth hoar). Σε διαλέκτους βορείων χωρών (Γροιλανδία, Σκανδιναβία) υπάρχουν δεκάδες λέξεις για να περιγράψουν το χιόνι όχι μόνο ως προς τη μορφή του αλλά και σε άλλα χαρακτηριστικά 10

11 ΧΑΛΑΖΙ Τα υδροσταγονίδια και οι παγοκρύσταλλοι που βρίσκονται μέσα στα σύννεφα μεταφέρονται πάνω και κάτω από τα ισχυρά ανοδικά και καθοδικά ρεύματα. Στους σωρειτομελανίες οι θερμοκρασίες στα ανώτερα στρώματα μπορούν να φτάσουν και τους-30 ο C. Έτσι σταγόνες οι οποίες ανεβαίνουν παγώνουν και στη συνέχεια μεταφέρονται στα κατώτερα στρώματα όπου οι θερμοκρασίες είναι θετικές και δημιουργείται ένα υγρός μανδύας γύρω τους ο οποίος στη συνέχεια παγώνει όταν μεταφέρονται εκ νέου στα ανώτερα στρώματα. Αυτή η διεργασία συνεχίζεται και το μέγεθος του χαλαζόκοκκου αυξάνει μέχρι που γίνεται αρκετά βαρύς ώστε να υπερνικήσει τα ανοδικά ρεύματα και να πέσει στο έδαφος. Οι καταστροφές είναι ανάλογες του μεγέθους (συνήθως μεταξύ 0.5 και 15 cm), της ταχύτητας πτώσης και της διάρκειας (συνήθως είναι λίγα λεπτά).έχουν παρατηρηθεί χαλαζόκοκκοι βάρους ενός κιλού στην Ουγκάντα που είχαν αποτέλεσμα το θάνατο 96 ανθρώπων (Γ. Μελανίτης, Ο καιρός και τα μυστικά του) Εικόνα 2. Χαλαζόκοκκος οπού διακρίνεται η σύμφυση παγοκρυστάλλων Εικόνα 3. Χαλαζόκοκκοι στους οποίους διακρίνονται οι διαδοχικοί μανδύες 11

12 ΟΜΙΧΛΗ (1/2) Η ομίχλη είναι φαινόμενο που συμβαίνει στην ατμόσφαιρα, πολύ κοντά στην επιφάνεια της γης και αποτελείται από μικρά υδροσταγονίδια προερχόμενα από την συμπύκνωση των υδρατμών. η οποία συμβαίνει όταν η αέρια μάζα που είναι σε επαφή με τη γη ψύχεται. Κατά συνέπεια η ομίχλη είναι απλά ένα χαμηλό νέφος. Η ομίχλη προκαλεί ελάττωση της ορατότητας δημιουργώντας προβλήματα στις συγκοινωνίες. Ανάλογα με τη ορατότητα η ομίχλη διακρίνεται σε Ξηρή Αχλύ(ορατότητα > 2km), Υγρή Αχλύ(ορατότητα 1-2km)και Ομίχλη (ορατότητα <1 km) 12

13 ΟΜΙΧΛΗ (2/2) Ανάλογα με το μηχανισμό δημιουργίας της διακρίνεται σε: Ομίχλη ακτινοβολίας.δημιουργείται όταν το έδαφος ψύχεται λόγω της νυκτερινής ακτινοβολίας της γης και κατά συνέπεια ψύχεται και ο αέρας που έρχεται σε επαφή με αυτό. Η διεργασία ευνοείται όταν υπάρχει μεγάλη σχετική υγρασία, αίθριος και ασθενής άνεμος ενώ αντίθετα η ομίχλη διαλύεται όταν ενισχύεται ο άνεμος και αυξάνεται η θερμοκρασία. Ομίχλη αναμίξεως.δημιουργείται όταν συναντώνται δύο αέριες μάζες διαφορετικής θερμοκρασίας και υγρασίας και η προκύπτουσα αέρια μάζα από την ανάμιξη αυτή έχει θερμοκρασία τέτοια ώστε να συμπυκνωθούν οι υδρατμοί που περιέχει Ομίχλη μεταφοράς.δημιουργείται από την μεταφορά υγρού και σχετικά θερμού αέρα πάνω από ψυχρότερη επιφάνεια. Θαλάσσιο καπνό.είναι η ομίχλη μεταφοράς όταν συμβαίνει πάνω από τη θάλασσα 13

14 ΚΑΤΑΙΓΙΔΕΣ (1/2) Οι καταιγίδεςείναι βίαια ατμοσφαιρικά φαινόμενα που χαρακτηρίζονται από ραγδαίες βροχές, ισχυρούς ανέμους με μεταβλητή ένταση και διεύθυνση, οι οποίοι συνήθως φτάνουν τα km/h ή ακόμα και τα 100 km/h, από ισχυρές ηλεκτρικές εκκενώσεις (κεραυνούς) και πολλές φορές από χαλάζι. Η διάρκεια μιας καταιγίδας είναι συνήθως μικρότερη από δύο ώρες αλλά οι υψηλές εντάσεις βροχής είναι ικανές να προκαλέσουν πλημμύρες. Η καταιγίδα αναπτύσσεται όταν η ατμόσφαιρα είναι έντονα ασταθής (δηλαδή, ευνοούνται οι ανοδικές κινήσεις των αερίων μαζών) και υπάρχει μεγάλη ποσότητα υδρατμών στα κατώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ο θερμός και υγρός αέρας κοντά στην επιφάνεια του εδάφους ανέρχεται γρήγορα και ψύχεται. Η υγρασία που υπάρχει στην ατμοσφαιρική μάζα συμπυκνώνεται σε παγοκρυστάλλους και υδροσταγονίδια με αποτέλεσμα το σχηματισμό ογκωδών νεφών. 14

15 ΚΑΤΑΙΓΙΔΕΣ (2/2) Η ανάπτυξη των καταιγιδοφόρων νεφών (σωρειτομελανίες cumulonimbus Cb) είναι το κύριο χαρακτηριστικό της καταιγίδας. Τα νέφη αυτά έχουν πολύ μεγάλο όγκο και μεγάλη κατακόρυφη ανάπτυξη. Η κορυφή τους μπορεί να ξεπεράσει και τα 12 km. Το ανώτερο τμήμα τους σχεδόν πάντα απλώνεται με τη μορφή άκμονα, ενώ η βάση τους είναι οριζόντια σε χαμηλό ύψος από το έδαφος Οι καταιγίδες υπάγονται σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους: αέριας μάζας(τοπικές ή θερμικές), ορογραφικέςκαι μετωπικές. Στην Ελλάδα οι πρώτες δημιουργούνται κυρίως κατά τους καλοκαιρινούς μήνες πάνω από τις ηπειρωτικές περιοχές, οι δεύτερες στα δυτικά προσήνεμα του ορεινού όγκου της ηπειρωτικής χώρας και οι τρίτες κυρίως την περίοδο Νοεμβρίου-Μαΐου και συνδέονται με την διέλευση υφέσεων από τον Ελληνικό χώρο. 15

16 ΣΩΡΕΙΤΟΜΕΛΑΝΙΕΣ - CUMULONIMBUS (CB) Εικόνα 4. Κατηγορία νεφών -Σωρειτομελανίες 16

17 ΑΣΤΡΑΠΗ-ΚΕΡΑΥΝΟΣ-ΒΡΟΝΤΗ (1/2) Τα ανοδικά και καθοδικά ρεύματα που αναπτύσσονται μέσα στους σωρειτομελανίες προκαλούν ισχυρές συγκρούσεις μεταξύ ατόμων, μορίων, σταγόνων και παγοκρυστάλλων με αποτέλεσμα να ελευθερώνονται ηλεκτρόνια τα οποία συσσωρεύονται στο κάτω τμήμα του νέφους ενώ τα θετικά ιόντα συσσωρεύονται στο επάνω τμήμα. Στη συνέχεια λόγω της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δύο τμημάτων δημιουργείται ροή ηλεκτρονιών μεταξύ των δύο περιοχών δηλαδή διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τον αέρα. Η διέλευση του ρεύματος από τον αέρα είναι δύσκολη όταν είναι ξηρός αλλά ευνοείται όταν περιέχει υδροσταγονίδια. Η διέλευση του ρεύματος (ηλεκτρική εκκένωση) συνοδεύεται από λάμψη η οποία ονομάζεται αστραπή. 17

18 ΑΣΤΡΑΠΗ-ΚΕΡΑΥΝΟΣ-ΒΡΟΝΤΗ (2/2) Η διεργασία αυτή μπορεί να πργματοποιηθεί και ανάμεσα σε δύο διαφορετικά νέφη ή ανάμεσα σε ένα νέφος και στο έδαφος οπότε και ονομάζεται κεραυνός. Η αστραπή απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας, το 75% της οποίας δαπανάται για τη θέρμανση του αέρα. Η ξαφνική αυτή και έντονη θέρμανση κάνει τον αέρα να διαστέλλεται απότομα και δημιουργεί ένα κύμα κρούσης που ο ήχος του είναι η βροντή. Όταν η ηλεκτρική εκκένωση συμβεί κοντά στον παρατηρητή ακούγεται ως ένας κρότος, αλλά όταν γίνει μακριά ο ίδιος θόρυβος διαρκεί κάποια δευτερόλεπτα, γιατί η βροντή ακούγεται από διάφορες αποστάσεις καθώς ανακλάται ο ήχος από τα νέφη και τις εξάρσεις του εδάφους. Συγκέντρωση θετικών ιόντων Αστραπή Συγκέντρωση ηλεκτρονίων Γη Κεραυνός Σχήμα 1. Αναπαράσταση δημιουργίας αστραπής και κεραυνού 18

19 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (1/10) Καθοδική μεταφορά Ανοδική μεταφορά Καθοδική μεταφορά Ανοδική μεταφορά Καθοδική μεταφορά Θερμό έδαφος Εικόνα 6. Ορογραφικές κατακρημνίσεις Εικόνα 5. Μεταγωγικές κατακρημνίσεις 19

20 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (2/10) Εικόνα 7. Στάδια δημιουργίας κυκλώνα (βόρειο ημισφαίριο) Εικόνα 8. Ψυχρό, Θερμό και συσφιγμένο μέτωπο 20

21 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (3/10) ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β ΨΥΧΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΘΕΡΜΟΣ ΑΕΡΑΣ ΙΔΙΑ ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΙΔΙΑ ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β Χ ΚΙΝΗΣΗ ΑΕΡΑ Υ Η ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ Εικόνα 9. Ατμοσφαιρική πίεση Η ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΜΕΙΩΝΕΤΑΙ 21

22 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (4/10) ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Υ Χ Χ Υ Χ Ζεστό Υ Ψυχρό Υ Ψυχρό Χ Ζεστό Εικόνα 10. Θαλάσσια αύρα Εικόνα 11. Απόγειος αύρα 22

23 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (5/10) ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Υψηλή πίεση ITCZ, Τροπικός του Καρκίνου ΕΙΡΗΝΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ Τροπικός του Καρκίνου ΕΙΡΗΝΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ΙΝΔΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ΙΝΔΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ITCZ Τροπικός του Αιγόκερω Υψηλή πίεση Υψηλή πίεση Τροπικός του Αιγόκερω Δεκέμβριος-Ιανουάριος ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) GOA (INDIA) ΕΤΟΣ: mm ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΪ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Εικόνα 12. Μουσώνες Ιούνιος-Ιούλιος 23

24 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (6/10) Εξωτερικός παρατηρητής Κινούμενος παρατηρητής Περιστροφή Σχήμα 2. Επίδραση Coriolis 24

25 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (7/10) Πλάτη αλόγων Ηadley cells ΑΠΛΟΥΣΤΕΥΜΕΝΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ Πολικό μέτωπο Υ Υ Χ Πολικός αντικυκλώνας Χ Χ Υ Χ Υ 60 ο Υ Χ Υ 60 ο Πλάτη νηνεμίας 30 ο 0 ο 30 ο Τροπικές υφέσεις Εικόνα 13. Μοντέλο με τρία κύτταρα Παραδοχές: Περιστρεφόμενη γη Ομοιόμορφα καλυμμένη με νερό Ο ήλιος είναι πάνω από τον ισημερινό 25

26 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (8/10) ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΑΠΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕ ΤΡΙΑ ΚΥΤΑΡΑ Πολικοί ανατολικοί Δυτικοί άνεμοι BA Αληγείς άνεμοι 60 ο Ενδοτροπική ζώνη σύγκλισης (ΙTCZ) ΝΑ Αληγείς άνεμοι Δυτικοί άνεμοι Πολικοί ανατολικοί Εικόνα 14. Άνεμοι 60 ο 30 ο 0 ο 30 ο Πολικός αντικυκλώνας Υποπολικές υφέσεις Υποτροπικοί αντικυκλώνες Τροπικές υφέσεις 60 ο Υποτροπικοί αντικυκλώνες Υποπολικές υφέσεις Πολικός αντικυκλώνας 60 ο Υγρές περιοχές Ξηρές περιοχές 30 ο 0 ο 30 ο Εικόνα 15. Συστήματα Πιέσεων & βροχοπτώσεις 26

27 ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ Ο παρακάτω χάρτης δείχνει το μέσο ετήσιο ύψος κατακρημνισμάτων παγκοσμίως (mm). Το ανοιχτό πράσινο χρώμα μπορεί να θεωρηθεί "έρημος". Εικόνα 16. Μέσο ετήσιο ύψος κατακρημνισμάτων παγκοσμίως (mm) 27

28 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (9/10) Εικόνα 17. Κύριες τροχιές υφέσεων στον ελληνικό χώρο 28

29 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΕΩΝ (10/10) Απεικόνιση της επιφάνειας μέσης ετήσιας βροχόπτωσης, με την μέθοδο της ψηφιδωτής διαμέρισης. Η επιφάνεια καταρτίστηκε με βάση τις ισοϋέτιες καμπύλες της ΔΕΗ για την περίοδο Τομέας Υδατικών Πόρων Εικόνα 18. Κατανομή βροχοπτώσεων στον ελληνικό χώρο 29

30 Εικόνα 19. Απόλυτο μέγιστο ημερήσιο ύψος υετού σε σταθμούς της ΕΜΥ

31 ΜΗΥΒ/ΜΕΥΒ (%) Ετήσιο Ύψος βροχής (mm) Εικόνα 20. Μέγιστο ημερήσιο ύψος υετού ως προς το μέσο ετήσιο ύψος βροχής 31

32 ΜΕΤΡΗΣΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (Συμβατικός τρόπος) Εικόνα 22. Ταινίες βροχογράφου Εικόνα 21. Βροχογράφος 32

33 ΜΕΤΡΗΣΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (Αυτόματος τρόπος) Καταχωρητήςδεδομένων (data logger) Μεταφορά μετρήσεων σε υπολογιστή (σε ομαλή λειτουργία μέσω τηλεφωνικής γραμμής) Αισθητήρας βροχής Εικόνα 23. Αυτόματος τηλεμετρικός μετεωρολογικός σταθμός Εισαγωγή των μετρήσεων σε βάση δεδομένων. Έλεγχος, επεξεργασία και παραγωγή χρονοσειρών Διαδίκτυο Πρωτογενείς μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο Επεξεργασμένες ιστορικές χρονοσειρές

34 ΜΕΤΡΗΣΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (1/2) 20:40 UTC 23:00 UTC Εικόνα 24. Μετεωρολογικό radar 17/11/

35 ΜΕΤΡΗΣΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (2/2) Μετεωρολογικό radar Εικόνα 25. Μη ρυθμισμένο πεδίο βροχής Εικόνα 26. Πεδίο βροχής ρυθμισμένο με επίγεια βροχόμετρα 35

36 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (1/5) ΔΙΠΛΗ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΒΡΟΧΗ ΣΤΑΘΜΟΥ Α (mm ΔΙΟΡΘΩΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ λ=tan(a)/tan(b) α ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΒΡΟΧΗ ΣΤΑΘΜΟΥ Β (mm) Διάγραμμα 3. Ομογενοποίηση παρατηρήσεων β 36

37 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (2/5) ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ ΣΤΑΘΜΟΥ Β (mm ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΣΤΑΘΜΩΝ Β ΚΑΙ Α (ΒΡΟΧΗ Β) = 1.05*(ΒΡΟΧΗ Α) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗΣ: ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ ΣΤΑΘΜΟΥ A (mm) Διάγραμμα 4. Συμπλήρωση παρατηρήσεων 37

38 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (3/5) Ευθεία γραμμικής παλινδρόμησης Y=a+b*x όπου y εξαρτημένη μεταβλητή και x ανεξάρτητη μεταβλητή Παράμετροι Συναρτήσεις EXCEL Κλίση ευθείας b=slope(y,x) Σταθερά a=intercept(y,x) Συντελεστής συσχέτισης r=correl(y,x) 38

39 H παρεμβολή γίνεται με βάση τη σχέση: όπου : h η τιμή της μεταβλητής στη ζητούμενη θέση Ν o αριθμός των σημείων που συμμετέχουν h 1, h 2, h 3,...,h N οι σημειακές μετρήσεις στα σημεία 1, 2, 3,, N d 1, d 2, d 3,...,d N οι αποστάσεις του κυττάρου από τα σημεία 1, 2, 3,, N k ο συντελεστής επιρροής της απόστασης Η τιμή του εκθέτη kσυνήθως λαμβάνεται 1 ή 2 [Dingman, 1994]. N N n k n k N N n k n k N n k n k h d d h d d h d d h = = = = ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (4/5) Μέθοδος σταθμισμένων αντίστροφων αποστάσεων (ΣΑΑ) 39

40 ΣΥΜΠΛΗΡΩΣΗ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΣΑΑ D AB D ΒΔ D ΒΓ D ΒΗ D ΒΕ D Βθ D ΒΖ P B D DΑΒ DΓΒ D Β D D ΕΒ DΖΒ D 2 AB ΗΒ ΘΒ = * PA + * PΑ + * PΓ + * P + * PΕ + * PΖ + * PΗ + * PΘ D D D D D D D 1 D D= 1 D 2 ΑΒ + 1 D 2 ΓΒ + 1 D 2 Β + 1 D 2 ΕΒ + 1 D 2 ΖΒ + 1 D 2 ΗΒ + 1 D 2 ΖΒ Ρ: βροχόπτωση σε mm D: απόσταση μεταξύ σταθμών σε m Εικόνα 27. Μέθοδος σταθμισμένων αντιστρόφων αποστάσεων 40

41 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (1/3) ΜΕΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΩΝ Η κύρια μετρική ιδιότητα των βροχοπτώσεων και γενικότερα των κατακρημνισμάτων είναι το ύψος τους h σε δεδομένο χρόνο t. Παράγωγο μέγεθοςείναιηέντασηδηλαδήημεταβολήτουύψουςσεχρόνοδt Το φαινόμενο της κατακρήμνισης είναι επιφανειακά ανομοιόμορφο, δηλαδή εξελίσσεται σε κάποια επιφάνεια της γης με ρυθμό που μεταβάλλεται στο χώρο. Η πλήρης γνώση της χωροχρονικής εξέλιξης ενός φαινομένου θα απαιτούσε να είναι γνωστό το πεδίο h(x, y, t) σε κάθε σημείο (x, y) της επιφάνειας που ενδιαφέρει και σε κάθε χρονική στιγμή t. Τα συμβατικά όργανα μετρήσεων παρέχουν σημειακή πληροφορία για ένα επιφανειακό φαινόμενο, η οποία αναφέρεται σε συγκεκριμένα σημεία της βρεχόμενης επιφάνειας (θέσεις μέτρησης). Η ολοκλήρωση της σημειακής πληροφορίας στην επιφάνεια αποτελεί τον τελικό στόχο της μελέτης των βροχοπτώσεων και είναι ακριβέστερη όσο πυκνότερα είναι τα σημεία μέτρησης στην επιφάνεια του φαινομένου. 41

42 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (2/3) ΜΕΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΩΝ Η τεχνολογία του μετεωρολογικού radar χρησιμοποιείται εδώ και τρεις δεκαετίες στην επιφανειακή μέτρηση των βροχών Η τεχνολογία και η εμβάθυνση στις διεργασιών της κατακρήμνισης, επέβαλαν τη χρήση και άλλων μετρικών ιδιοτήτων των κατακρημνισμάτων, όπως είναι οι διάμετροι των σταγόνων βροχής και η στατιστική κατανομή τους, οι ταχύτητες των σταγόνων, η κινητική ενέργεια της βροχής, η ανακλαστικότητα των σύννεφων στην ακτινοβολία του ραντάρ, κ.ά. 42

43 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (3/3) Κατηγορίες μεθόδων ΑΜΕΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ Αριθμητικός μέσος Πολύγωνα Thiessen Δύο άξονες (Bethlahmy s) Υψομετρική μέθοδος ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ(ισοπληθείς καμπύλες) ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ(ψηφιδωτή διαμέριση) Βέλτιστης παρεμβολής (kriging) Ελάχιστων τετραγώνων με πολυώνυμα Πολυωνύμων Langrange Παρεμβολής spline Πολυτετραγωνικής παρεμβολής Σταθμισμένων αντίστροφων αποστάσεων (ΣΑΑ) 43

44 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ (1/2) Πολύγωνα Thiessen (1911) Πιτσιωτά Τρίλοφο Καρπενήσι Νεοχώρι Ζηλευτό Σπερχειός Υπάτη Κρίκελλο ΓΕΦΥΡΑ ΚΟΜΠΟΤΑΔΩΝ P επιφ. = n i= 1 P i Ai A ΟΛ Γραμμένη Οξυά Πυρά km Συκέα Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, Εικόνα 28. Παράδειγμα εφαρμογής της μεθόδου Thiessen

45 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ (2/2) Δύο αξόνων Bethlahmys (1976) Υδροκρίτης Μέγιστος άξονας λεκάνης Σημειακή μέτρηση 1 α1 2 α2 α3 3 Μεσοκάθετος μέγιστου άξονα Ποταμός Τιταρήσιος (Παραπόταμος Πηνειού) Γέφυρα Μεσοχωρίου ai n Το βάρος της iμέτρησης δίδεται από τη σχέση: a 45 i Εικόνα 29. Παράδειγμα εφαρμογής της μεθόδου δύο αξόνων i= 1

46 ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ (1/2) Ισοπληθείς καμπύλες Νεοχώρι (1715.2) 1600 Πιτσιωτά (1253.0) Τρίλοφο (711.3) 600 Ζηλευτό (545.1) Καρπενήσι (1263.3) Σπερχειός Υπάτη (791.7) Κρίκελλο (1564.0) ΓΕΦΥΡΑ ΚΟΜΠΟΤΑΔΩΝ (Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 1997) Γραμμένη Οξυά (1211.0) Πυρά (1669.3) P επιφ. = n i= 1 P+ P i 2 ( i 1) Ai A ΟΛ km Συκέα (1587.6) Εικόνα 30. Μέσες ετήσιες ισοϋέτιες καμπύλες της λεκάνης Σπερχειού ανάντη Γ. Κομποτάδων 46

47 ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ (2/2) Ψηφιδωτή διαμέριση Η περιοχή ολοκλήρωσης διαμερίζεται σε ισομεγέθη στοιχειώδη κύτταρα ή ψηφίδες με την εφαρμογή ενός ορθογωνικού καννάβου, με δεδομένη ισαποχή των οριζόντιων και κατακόρυφων γραμμών του. Για κάθε κύτταρο, υπολογίζεται η τιμή της μεταβλητής, η οποία αντιστοιχεί στο κέντρο του κυττάρου αλλά θεωρείται σταθερή γιαόλητηνεπιφάνειατου.ηεπιφανειακήτιμήπροκύπτει,τότε,ωςομέροςόροςτων τιμών όλων των κυττάρων. Η τιμή που ολοκληρώνεται μπορεί να είναι στιγμιαία, μέση ή αθροιστική για συγκεκριμένη χρονική διάρκεια ( ( ( ΒΡΟΧΟΜΕΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ( ( ( ( ΕΤΗΣΙΟ ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm ) > 750 ( ( ( Εικόνα 31. Επιφάνεια ετήσιας βροχόπτωσης ( (mm) Λεκάνη Τιταρήσιου (ανάντη Γέφυρας Μεσοχωρίου) 47

48 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΩΝ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΕΩΝ (5/5) 1000 ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ (mm) α ΥΨΟΜΕΤΡΟ (m) Διάγραμμα 5. Υψομετρική αναγωγή µ = P + tanα *( z z ) λεκάνης P λεκάνης λεκάνης σταθµ ών 48

49 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (1/2) Εικόνα εξωφύλλου. Νέφος πάνω από ορεινό όγκο, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματοςπροβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων.» Εικόνα 2. Χαλαζόκοκκος οπού διακρίνεται η σύμφυση παγοκρυστάλλων, CC: BY-NC-SA Εικόνα 3. Χαλαζόκοκκοι στους οποίους διακρίνονται οι διαδοχικοί μανδύες, CC: BY-NC- SA Εικόνα 4. Κατηγορία νεφών -Σωρειτομελανίες, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματοςπροβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων.» 49

50 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (2/2) Εικόνα 16. Μέσο ετήσιο ύψος κατακρημνισμάτων παγκοσμίως (mm), «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματοςπροβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων.» Εικόνα 17. Κύριες τροχιές υφέσεων στον ελληνικό χώρο, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματοςπροβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων.» 50

51 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.