ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΦΥΣΙΚΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΦΥΣΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΙΑΚΗ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΥΝΑΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΟΥ ΣΥΝ ΕΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΗ ΘΕΡΙΝΗ ΚΑΤΑΙΓΙ ΟΦΟΡΟ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΣΤΟΝ ΕΛΛΑ ΙΚΟ ΧΩΡΟ ιδακτορική ιατριβή του ΝΙΚΟΛΑΟΥ X. ΜΑΖΑΡΑΚΗ Α.Μ. 288 Τριµελής Συµβουλευτική Επιτροπή Παναγιώτης Γιαννούλης, Καθηγητής Πανεπιστηµίου Πατρών Βασιλική Κοτρώνη, Ερευνήτρια Β Βαθµίδας Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών Αθανάσιος Α. Αργυρίου, Αναπλ. Καθηγητής Πανεπιστηµίου Πατρών (Επιβλέπων) ΠΑΤΡΑ, 2010

2

3 Στη Γιώτα και την κόρη µας Γεωργία

4 Πρόλογος Η παρούσα διατριβή έχει τίτλο «Παρατηρησιακή και αριθµητική µελέτη των δυναµικών και φυσικών διεργασιών που συνδέονται µε τη θερινή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα στον Ελλαδικό χώρο». Η εκπόνηση της διατριβής άρχισε τον Σεπτέµβριο του 2006 στον τοµέα εφαρµοσµένης φυσικής του τµήµατος φυσικής του Πανεπιστηµίου Πατρών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τα µέλη της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής κ.κ.: Αθανάσιο Αργυρίου, Αναπληρωτή Καθηγητή του τµήµατος Φυσικής του Πανεπιστηµίου Πατρών, Παναγιώτη Γιαννούλη, Καθηγητή του τµήµατος Φυσικής του Πανεπιστηµίου Πατρών και Βασιλική Κοτρώνη, Ερευνήτρια Β του Ινστιτούτου Περιβάλλοντος και Βιώσιµης Ανάπτυξης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, για την πολύτιµη καθοδήγηση και ανεκτίµητη βοήθεια στη διάρκεια της παρούσας εργασίας, ως προς τις ιδέες που µου προσέφεραν τόσο κατά την εξέλιξη της διατριβής όσο και κατά τη διάρκεια της συγγραφής της. Μεγάλη και σηµαντική ήταν η συνεισφορά του ρ. Κωνσταντίνου Λαγουβάρδου, ερευνητή Β του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, µε τον οποίο είχα την τύχη να συζητήσω αρκετά θέµατα ης εργασίας αυτής αποκοµίζοντας ανεκτίµητες γνώσεις και επιστηµονικές εµπειρίες. Οι ιδέες που µου προσέφερε ήταν σηµαντικές σε όλα τα στάδια της διατριβής αυτής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τους ρ. ηµήτρη Κατσάνο και Ιωάννη Κολέτση για την πολύτιµη βοήθειά τους και τις συµβουλές τους σε διάφορα στάδια της διατριβής. Επίσης θερµές ευχαριστίες οφείλω να δώσω και στον Dr. Christopher J. Anderson του Πανεπιστηµίου της Iowa, για την εξαιρετικά χρήσιµη καθοδήγησή του στις προσπάθειες τροποποίησης του σχήµατος παραµετροποίησης των κατακόρυφων κινήσεων µεταφοράς των Kain Fritsch. Σε ότι αφορά την παροχή των δεδοµένων που χρησιµοποιήθηκαν στην διατριβή, θερµές ευχαριστίες οφείλω να δώσω στην Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία και το υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης για την ευγενική παραχώρηση των δεδοµένων ηµερήσιας βροχόπτωσης καθώς επίσης και τη Βρετανική Μετεωρολογική Υπηρεσία (Met Office) για την παροχή των δεδοµένων των ηλεκτρικών εκκενώσεων. II

5 Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω και τα µέλη της επταµελούς εξεταστικής επιτροπής κ.κ.: Ανδρέα Καζαντζίδη, Επίκουρο Καθηγητή του Πανεπιστηµίου Πατρών, Πρόδροµο Ζανή, Επίκουρου Καθηγητή του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, Ιωάννη Πυθαρούλη, Λέκτορα του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης και Πέτρο Κατσαφάδο, Λέκτορα του Χαροκόπειου Πανεπιστηµίου Αθηνών. Τέλος θέλω να εκφράσω την ευγνωµοσύνη µου στη σύζυγο µου κ. Παναγιώτα Αγγελή για την υποµονή και την στήριξη που µου παρείχε κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Νικόλαος Χ. Μαζαράκης, 2010 III

6 Περίληψη στην Αγγλική γλώσσα 1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή...5 Κεφάλαιο Εισαγωγή οµή σωρειτοµελανία Στάδια εξέλιξης µίας τυπικής καταιγίδας Το στάδιο της ανάπτυξης Το στάδιο της ωρίµανσης Το στάδιο της διάλυσης Πολυκύτταρη καταιγίδα Γενική περιγραφή Κατανοµή του ηλεκτρικού φορτίου και ηλεκτρικές εκκενώσεις Ισχυρές καταιγίδες Το φαινόµενο της εισχώρησης (entrainment) είκτες αστάθειες Κεφάλαιο Εισαγωγή εδοµένα και Μεθοδολογία Επίγειες µετρήσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας Περιγραφή του συστήµατος ATD Ακρίβεια των µετρήσεων ATD Οργάνωση των µετρήσεων ATD Χρονική περίοδος µελέτης εδοµένα Ευρωπαϊκού Κέντρου Μεσοπρόθεσµων Προγνώσεων Χωρική κατανοµή ηλεκτρικών εκκενώσεων πάνω από τον Ελλαδικό χώρο Συνοπτικές συνθήκες που ευνοούν την εκδήλωση θερινής ηλεκτρικής δραστηριότητας Συµπεράσµατα Κεφάλαιο Εισαγωγή Κατηγορίες σχηµάτων παραµετροποίησης Σχήµα παραµετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων των Kain Fritsch Τεχνική παραµετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων Μοντέλο νέφους Ρυθµός εισχώρησης του αέρα περιβάλλοντος στο ανοδικό ρεύµα Εκτίµηση των ρυθµών εισχώρησης και διάχυσης Χαρακτηριστικά του ανοδικού ρεύµατος συνάρτηση ενεργοποίησης Εκτίµηση του ρυθµού συµπύκνωσης στο ανοδικό ρεύµα και µετατροπή συµπύκνωσης σε υετό Καθοδικές κινήσεις Σχέση µεταξύ καθοδικών και ανοδικών ρευµάτων Ολοκλήρωση του σχήµατος Παραµετροποίηση ρηχών κατακόρυφων κινήσεων χωρίς υετό IV

7 4.4 Σχήµα παραµετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων του Grell Σχήµα παραµετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων των Betts Miller Κεφάλαιο Εισαγωγή Προγνωστικό µοντέλο Ρυθµίσεις και Παράµετροι εδοµένα και Μεθοδολογία Επαλήθευσης Περίοδος µελέτης και δίκτυο βροχόµετρων Μεθοδολογία Στατιστικής Επαλήθευσης Στατιστική αξιολόγηση της προγνωστικής ικανότητας του µοντέλου σε σχέση µε την επιλογή του σχήµατος παραµετροποίησης Στατιστική αξιολόγηση της προγνωστικής ικανότητας του µοντέλου µε χρήση δεδοµένων ηλεκτρικών εκκενώσεων Το σύστηµα ZEUS Μεθοδολογία Στατιστικής Επαλήθευσης Αποτελέσµατα Στατιστικής Επαλήθευσης Μελέτη περιπτώσεως 6 ης Ιουνίου Συµπεράσµατα Κεφάλαιο Εισαγωγή Προγνωστικό µοντέλο εδοµένα και Μεθοδολογία Επαλήθευσης Περιγραφή τροποποιήσεων του σχήµατος Kain - Fritch Μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας της βροχόπτωσης (PEF09) Αλλαγή του χρονικού βήµατος ανάκλησης του σχήµατος (1ΜΙΝ, 15ΜΙΝ) Μεταβολή του ρυθµού παραγωγής υετού από το σχήµα (RATE0001, RATE01) Αλλαγές στη συνάρτηση ενεργοποίησης (EASYTRIG1, EAYSTRIG2) Τροποποίηση της κατακόρυφης κατατοµής των ανοδικών ρευµάτων (CJAmod) Στατιστική αξιολόγηση των διαφόρων τροποποιήσεων του σχήµατος Kain Fritsch Μελέτη περιπτώσεως 30 ης Αυγούστου Συµπεράσµατα Κεφάλαιο Βασικά συµπεράσµατα Προοπτικές Βιβλιογραφία.167 V

8

9 Extended abstract The aim of this Ph.D. Thesis is to study the convective activity over Greece during the warm period of the year based on both observational analysis and numerical modeling. Namely, the lightning activity as a proxy of convection has been studied. Moreover, the ability of a numerical weather prediction model to reproduce convective activity and methods to improve the prediction of convection have been investigated. The analysis is focused on: 1) The study of the lightning activity over Greece during the warm period of the year, 2) The study of the synoptic patterns related to lightning activity and convection, 3) the study of the skill of a numerical model to quantitatively forecast convective precipitation and the role of the choice of the convective parameterization scheme, and 4) the study of the sensitivity of quantitative precipitation forecasts (QPF) to various modifications of the Kain Fritsch (KF) convective parameterization scheme (CPS) with the aim to improve the model QPF. The present thesis is divided in three main parts. In the first part the lightning activity over Greece during the warm season (May-September) of the years 2003 through 2006 is investigated, in relation with the synoptic meteorological conditions that prevailed in the region of Greece. The study is based on the use of cloud-to-ground lightning activity data from the UK-MetOffice Arrival Time Difference (ATD) system.. The lightning data were organized into 0.1 º x 0.1 º latitude - longitude grids that correspond approximately to a resolution of 11 x 9 km over the study area that extends between 34 0 N-42 0 N and 18 0 E-30 0 E. The period of investigation spans from 15 May through 15 September of the years Moreover, for the investigation of the dynamical processes, which are related to the occurrence of lightning activity, the analysis fields from the ECMWF with a spatial resolution of x have been used. The low detection efficiency of ATD system during summer does not allow discussing absolute values of flash densities. For that reason a relative flash density was calculated as follows: the flash density (in flashes per km 2 per period) that was calculated in grid boxes of 0.1 x 0.1 resolution, averaged over the 4 years (from 15 May to 15 September of the years ) was divided by the total flash density (total number of flashes over the total 1

10 studied area) for the same period. The resulting dimensionless numbers will be referred to as relative flash density in the following. Thus, the analyses showed that the relative flash densities were found to vary a lot with the lowest values over the Aegean Sea and the largest over a large part of continental Greece. The relative flash density seems dependent on the elevation heights especially in Northern Greece where an important relative number of lightning has been reported. The investigation of the synoptic patterns related to important electrical activity is based on the comparison of mean fields averaged over 60 active and 60 inactive days in terms of lightning. The presence of a short wave trough along the Northern Ionian Sea characterizes the upper-level synoptic pattern of the days with high lightning activity, while at low-levels moist and warm air masses are found and the environment is largely unstable as indicated by the large values of CAPE. In contrast, the inactive days are characterized by a northwestern flow and warmer and drier air masses at the upper and mid-tropospheric layers. In the second part of the thesis, the sensitivity of MM5 model forecasts of warm season precipitation to the choice of the CPS for 20 selected cases over Greece is examined. Three different CPSs (Kain-Fritsch KF, Grell GR and Betts-Miller-Janjic BMJ) are used for the analysis. Sixty numerical simulations are carried out on two nested domains, with horizontal grid increments of 24 and 8 km respectively. The verification dataset consists of ground precipitation measurements and lightning data provided by ZEUS long-range lightning detection system, operated by the National Observatory of Athens. The innovative idea of the use of lightning data in the verification procedure emerges from the lack of dense raingauge network over Greece and of other data such as radar observations. For the verification purposes, the measured and predicted precipitation amounts within a given 6-h forecast period (t+12 up to t+18) are compared for the following precipitation thresholds: 0.1, 1.0, 2.5, 5.0 and 10.0 mm. Concerning the volumetric precipitation forecast skill, the model presents a tendency to overestimate light to moderate rain while in general it underestimates the high precipitation amounts. The experiments also show that the more reliable scheme is KF as it provides the best statistical scores. However, the differences of the results of statistical analysis between the KF and GR schemes are not large. This fact can be attributed to the similar main assumptions used by these schemes that consider entrainment/detrainment processes along the cloud boundaries. The 2

11 general conclusion that the KF scheme performs better than the other two is also supported by verification against lightning data. Inspection of a specific case study also showed that MM5 simulations (based on KF scheme) provide a consistent distribution of the convective rainfall field as compared to the observed lightning activity. In the third part of the thesis, the sensitivity of MM5 model forecasts of warm season precipitation to the various modifications of the KF CPS for 20 selected cases over Greece is examined. The modifications include: (i) The maximization of the convective scheme precipitation efficiency (PEF09). In this modification the variability of PE has been removed and it is consistently equal to 0.9, which is the maximum value. (ii) The change of the convective time step to 1 (1MIN) and to 15 (15MIN) minutes respectively. In this modification the period at which the model calls the convective parameterization scheme has been changed from 5 minutes to 1 and 15 minutes respectively. (iii) The forcing of the convective scheme to produce more/less cloud material (RATE01 and RATE0001). In this modification the model sensitivity to the production of more or less rainfall and cloud material is checked. Hence two different values (-0.1 and ) are used in the equation which is used to the calculation of precipitation. (iv) Changes to the trigger function (EASYTRIG1 and EASYTRIG2). In this modification two different coefficient (0.5 and 1.0) have been added to the equation that describe the main criterion which the scheme activation is based, and (v) the alteration of the vertical profile of updraft mass flux detrainment (CJAmod). In this modification the updraft mass flux is reduced linearly from Level of Free Sink instead of the Equilibrium Level, to the Cloud Top. One hundred eighty simulations are carried out on two nested domains, with horizontal grid increments of 24 and 8 km respectively. The verification dataset consists of ground precipitation measurements from 113 rain gauges. For the verification purposes, the measured and predicted precipitation amounts within a given 6-h forecast period (t+12 up to t+18) are compared for the following precipitation thresholds: 0.1, 1.0, 2.5, 5.0 and 10.0 mm. In general, during the warm season the forecasts suffer from underestimation of the volumetric precipitation where moderate and high precipitation has been observed. This problem can be alleviated when the model is forced to produce more precipitation and/or less cloud material. With the exception of RATE0001 and CJAmod, all the other modifications force the model to produce 3

12 more rain than the original scheme. For the 20 selected cases, the modification RATE01 gives the best statistical scores for the moderate and high precipitation amounts while the same modification and the 1MIN improves the model performance for the very high precipitation (>10 mm). The thesis has the following structure: Chapter 2 presents a review of the theory concerning the structure and evolution of convective storms, the conditions that lead to the occurrence of lightning and also a brief description of the basic instability indices. Chapter 3 presents the lightning activity over Greece during the warm season of the years 2003 through 2006, in relation with the synoptic meteorological conditions that prevailed over Greece. Chapter 4 presents a detailed review of the main characteristics of convective parameterization schemes that are used in the numerical weather prediction models. Thus a detailed description of the Kain Fritsch scheme is provided while a brief description of the Grell and Betts Miller schemes is also given. In Chapter 5 the sensitivity of MM5 model forecasts of warm season precipitation to the choice of the CPS for 20 selected cases over Greece is examined where three different convective paramerization schemes are selected. The verification dataset consists not only of ground precipitation measurements but also of lightning data provided by ZEUS long-range lightning detection system. In Chapter 6 the sensitivity of MM5 model forecasts of warm season precipitation to the various modifications of the KF CPS for 20 selected cases over Greece is examined and the results of the verifications procedure are presented. 4

13 Εισαγωγή 1 Η επιστήµη της Μετεωρολογίας την τελευταία εικοσαετία έχει κάνει σηµαντικά βήµατα προόδου σε ότι αφορά την παρατήρηση και την πρόγνωση του καιρού. Το µεγαλύτερο µέρος αυτής της προόδου οφείλεται στην τεράστια ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών και ειδικότερα στη διεύρυνση της υπολογιστικής τους ικανότητας, η οποία έδωσε την απαραίτητη ώθηση σε πολλές άλλες επιστήµες, µεταξύ των οποίων και αυτές που ασχολούνται µε την ατµόσφαιρα. Σηµαντική επίσης είναι η συµβολή της ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών και του διαδικτύου που πλέον επιτρέπει την αέναη παροχή πολύτιµων πληροφοριών σχετικά µε τον καιρό σε ασύλληπτα µικρούς, έως και µία δεκαετία πριν, χρόνους. Τα ευεργετικά αποτελέσµατα αυτής της ανάπτυξης για τον κλάδο της Μετεωρολογίας έχουν παράλληλα και εξαιρετικά θετικό αντίκτυπο στη σηµαντική µείωση του κόστους επιχειρησιακής λειτουργίας σε επίπεδο παρατήρησης και πρόγνωσης. Αυτό έδωσε τη δυνατότητα σε πανεπιστηµιακά και ερευνητικά ιδρύµατα να κάνουν τεράστια άλµατα σε διάφορους τοµείς σχετικούς µε την ατµόσφαιρα, συµπεριλαµβανοµένων και της επιχειρησιακής παρατήρησης και πρόγνωσης καιρού. Αν εστιάσει κανείς την προσοχή του στο Ελληνικό χώρο, θα διαπιστώσει σηµαντικές διαφορές του επιπέδου επιχειρησιακής λειτουργίας σε όλους τους τοµείς της Μετεωρολογίας, σε σχέση µε µία δεκαετία πριν. Έτσι σε επίπεδο παρατήρησης, απτό δείγµα αυτής της προόδου είναι η σηµαντική πύκνωση του δικτύου των αυτόµατων µετεωρολογικών σταθµών στην επικράτεια από διαφόρους φορείς, όπως είναι το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών αλλά και οι διάφορες νοµαρχιακές αυτοδιοικήσεις ανά την Ελλάδα, καθώς και από ερασιτέχνες µετεωρολόγους. Οι αυτόµατοι µετεωρολογικοί σταθµοί πλέον στη χώρα µας έχουν ξεπεράσει σε αριθµό τους 250, 5

14 ενώ τα επόµενα χρόνια αναµένεται αυτός ο αριθµός να αυξηθεί ακόµα περισσότερο. Μία άλλη τεχνολογία που αναπτύχθηκε στη χώρα µας είναι το σύστηµα καταγραφών των ηλεκτρικών εκκενώσεων µε την ονοµασία ZEUS, το οποίο από το 2005 και µετά προστέθηκε στο προϋπάρχον σύστηµα καταγραφής ATD, που λειτουργείται επιχειρησιακά από την Αγγλική µετεωρολογική υπηρεσία (Metoffice). Τα συστήµατα καταγραφής των ηλεκτρικών εκκενώσεων, αν και δεν αποτελούν νέα τεχνολογία καθώς έχουν αναπτυχθεί στις Η.Π.Α ήδη από τη δεκαετία του 80, αποτελούν µία καινοτόµο τεχνολογία για τη χώρα µας, η οποία επιτρέπει την καταγραφή των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους εδάφους σε πραγµατικό χρόνο. Πέρα όµως από την πρόοδο που συντελέστηκε τα τελευταία χρόνια στον τοµέα της παρατήρησης, µεγάλη είναι και η βελτίωση της προγνωστικής ικανότητας των µετεωρολογικών µοντέλων, η οποία οφείλεται τόσο στη βελτίωση της περιγραφής των φυσικών διεργασιών όσο και στην εξαιρετικά ταχεία ανάπτυξη της υπολογιστής δύναµης των επεξεργαστών που επιτρέπει την χρήση λεπτοµερέστερου πλέγµατος προσοµοίωσης. Τα µετεωρολογικά αριθµητικά µοντέλα δεν χρειάζονται πλέον πανάκριβες και ογκώδεις συστοιχίες υπολογιστών, αλλά µπορούν να λειτουργήσουν ακόµα και µε συστοιχίες απλών υπολογιστών χαµηλού κόστους. Το γεγονός αυτό επέφερε σηµαντική διάχυση της γνώσης αλλά και περεταίρω κατανόηση από περισσότερους επιστήµονες, του τρόπου που λειτουργούν τα αριθµητικά µοντέλα, ανοίγοντας έτσι το δρόµο της περαιτέρω βελτίωσής τους. Ειδικότερα στη χώρα µας τα τελευταία χρόνια λειτουργούν σε επιχειρησιακή βάση πάνω από πέντε περιοχικά αριθµητικά µοντέλα από διάφορους φορείς, έχοντας έτσι συµβάλλει σηµαντικά στη βελτίωση των προγνώσεων. Παρά όµως την πρόοδο που έχει συντελεστεί τα τελευταία χρόνια, δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις που οι προγνώσεις παρουσιάζουν µεγάλη απόκλιση από την πραγµατικότητα. Η πιθανότητα λανθασµένης πρόγνωσης αυξάνεται σηµαντικά για τις περιπτώσεις καταιγίδων κατά τους θερινούς µήνες, όπου στην Ελλάδα η µετωπική δραστηριότητα είναι σπάνια, και τον κυρίαρχο ρόλο στη διαµόρφωση των τοπικών καιρικών συνθηκών παίζουν οι καταιγίδες αστάθειας, οι οποίες εκδηλώνονται πάνω από την ηπειρωτική Ελλάδα και κυρίως πάνω από τις ορεινές περιοχές. Άλλωστε η τοπογραφία της χώρας µας µε τις απότοµες εναλλαγές στο ανάγλυφο αλλά και την παρουσία της θάλασσας, δηµιουργεί τις κατάλληλες προϋποθέσεις για την εκδήλωση καταιγίδων αστάθειας. εν είναι λίγες οι φορές που οι καταιγίδες αστάθειας µπορούν σε σύντοµο χρονικό 6

15 διάστηµα να δώσουν µεγάλα ύψη βροχής (>40 mm/h), συνοδεύονται από χιλιάδες ηλεκτρικές εκκενώσεις, από χαλαζόπτωση και θυελλώδεις ανέµους. Αξιοσηµείωτο δε είναι το γεγονός ότι ο αριθµός των κεραυνών κάθε καλοκαίρι ξεπερνάει τις , µε ότι αυτό συνεπάγεται για την ασφάλεια πολιτών και υποδοµών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται να απαντηθούν δύο βασικά ερωτήµατα. Το πρώτο ερώτηµα αφορά ποιες περιοχές του Ελλαδικού χώρου, κατά τη θερµή περίοδο του έτους, συγκεντρώνουν τη µεγαλύτερη καταιγιδοφόρο δραστηριότητα και το δεύτερο αν µπορεί να βελτιωθεί η πρόγνωση της δραστηριότητας αυτής. Οι απαντήσεις σε αυτά τα δύο ερωτήµατα αποτελούν τους βασικούς άξονες της παρούσας διατριβής η οποία υλοποιείται στην ευρύτερη γεωγραφική περιοχή της Ελλάδας, ενώ ο βασικός στόχος είναι αφενός η χρήση των νέων δυνατοτήτων που περιγράφηκαν προηγουµένως σε ότι αφορά την παρατήρηση, αλλά και η εξέλιξη των γνωστών προγνωστικών µεθόδων και η προσαρµογή τους στα δεδοµένα της χώρας µας. Στη συνέχεια περιγράφεται συνοπτικά η δοµή της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο εντάσσεται στο θεωρητικό µέρος της διατριβής και το κύριο κορµό του αποτελεί η περιγραφή της δοµής των καταιγίδων και η θεωρία που διέπει τη φυσική των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Αρχικά περιγράφεται αναλυτικά η δοµή ενός σωρειτοµελανία, ενώ παράλληλα εξετάζεται και ο τρόπος εκδήλωσης της ηλεκτρικής εκκένωσης στο εσωτερικό του νέφους. Επίσης περιγράφονται τόσο οι µονοκύτταρες όσο και οι πολυκύτταρες καταιγίδες, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έµφαση στην κατανοµή του ηλεκτρικού φορτίου και στις ηλεκτρικές εκκενώσεις που δηµιουργούνται κατά την εξέλιξη των καταιγίδων. Στη συνέχεια του δεύτερου κεφαλαίου γίνεται ειδική αναφορά στο πολύ ενδιαφέρον φαινόµενο της εισχώρησης (entrainment) αέρα περιβάλλοντος στο εσωτερικό του ανοδικού ρεύµατος, φαινόµενο καθοριστικό για την δοµή και την εξέλιξη µίας καταιγίδας. Το κεφάλαιο τελειώνει µε µία σύντοµη αναφορά στους κυριότερους δείκτες αστάθειας που χρησιµοποιούνται συχνότερα κατά τη διαδικασία της επιχειρησιακής πρόγνωσης του καιρού. 7

16 Το τρίτο κεφάλαιο είναι αφιερωµένο στην µελέτη της καταιγιδοφόρου και ηλεκτρικής δραστηριότητας στην Ελλάδα κατά τη θερµή περίοδο των ετών , και γίνεται προσπάθεια να απαντηθεί το πρώτο ερώτηµα που διατυπώθηκε προηγουµένως και αφορά την χωρική κατανοµή της ηλεκτρικής δραστηριότητα κατά τη θερµή περίοδο στη χώρα. Το κεφάλαιο αυτό διαιρείται σε δύο µέρη. Στο πρώτο µέρος περιγράφεται αρχικά το σύστηµα καταγραφής ηλεκτρικών εκκενώσεων ATD (Arrival Time Difference), το οποίο λειτουργεί επιχειρησιακά από τη Βρετανική Μετεωρολογική υπηρεσία (Metoffice). Έτσι εκτός από τη δοµή του συστήµατος, αναφέρεται η ακρίβεια των µετρήσεων που παρέχει, αλλά και η µεθοδολογία που έχει ακολουθηθεί στην οργάνωση και την επεξεργασία των καταγραφών των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Στη συνέχεια αφού οριστεί ο όρος σχετική πυκνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων παρουσιάζεται ο χάρτης της χωρικής κατανοµής των εκκενώσεων κατά την θερµή περίοδο της τετραετίας , ενώ παρουσιάζονται και τα αποτελέσµατα της συσχέτισής τους µε το ανάγλυφο κατά µήκος τεσσάρων διαφορετικών γεωγραφικών πλατών. Στο δεύτερο µέρος περιγράφονται αναλυτικά οι συνοπτικές συνθήκες που ευνοούν την εκδήλωση αστάθειας και θερινής ηλεκτρικής δραστηριότητας. Για το σκοπό αυτό έχουν επιλεγεί ισάριθµες ηµέρες µε έντονη και µηδενική ηλεκτρική δραστηριότητα και έχουν βρεθεί τα µέσα πεδία διαφόρων µετεωρολογικών παραµέτρων, µε τη χρησιµοποίηση δεδοµένων από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσµων Προγνώσεων (ECMWF). Τα αποτελέσµατα του συγκεκριµένου κεφαλαίου έχουν δηµοσιευθεί στο διεθνές επιστηµονικό περιοδικό Journal of Applied Meteorology and Climatology της American Meteorological Society (Mazarakis et al., 2008). Τα επόµενα τρία κεφάλαια συνιστούν το δεύτερο µέρος της διδακτορικής διατριβής όπου εξετάζονται τα σχήµατα παραµετροποίησης των κατακόρυφων κινήσεων µεταφοράς (ΠΚΚΜ), που χρησιµοποιούνται στο αριθµητικό µοντέλο ΜΜ5. Ο στόχος του δεύτερου µέρους είναι να προσδιοριστεί πιο από τα τρία εξεταζόµενα σχήµατα ΠΚΚΜ παρουσιάζει τη µεγαλύτερη προγνωστική ικανότητα κατά τη διάρκεια της θερµής περιόδου στον Ελλαδικό χώρο. Παράλληλα διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης του σχήµατος µε τις καλύτερες επιδόσεις στην πρόγνωση του πεδίου της βροχής, χρησιµοποιώντας τροποποιήσεις που είτε υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία είτε αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. 8

17 Έτσι το τέταρτο κεφάλαιο εντάσσεται στο θεωρητικό µέρος της διατριβής, ενώ ο κύριος κορµός του είναι η περιγραφή των σχηµάτων ΠΚΚΜ, που χρησιµοποιούνται ευρέως στα προγνωστικά αριθµητικά µοντέλα. Αρχικά αναφέρεται ο λόγος για τον οποίο οι κατακόρυφες κινήσεις στην ατµόσφαιρα πρέπει να παραµετροποιηθούν, ενώ περιγράφονται αναλυτικά οι δύο κατηγορίες των σχηµάτων παραµετροποίησης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου δίδεται µία αναλυτική περιγραφή του σχήµατος των Kain Fritch, το οποίο όπως αποδεικνύεται στο κεφάλαιο 5, παρουσίασε τα καλύτερα στατιστικά αποτελέσµατα πρόγνωσης της βροχόπτωσης για 20 επιλεγµένες περιπτώσεις θερινών καταιγίδων πάνω από τον Ελλαδικό χώρο. Στα πλαίσια αυτής της περιγραφής παρουσιάζεται αναλυτικά το µοντέλο νέφους που αποτελεί τον κύριο κορµό του σχήµατος, η συνάρτηση ενεργοποίησης και οι διαδικασίες ολοκλήρωσης του σχήµατος, ενώ η ενότητα κλείνει µε αναφορά στις ρηχές κατακόρυφες κινήσεις οι οποίες δεν παράγουν υετό. ίνεται επίσης µία συνοπτική περιγραφή του σχήµατος ΠΚΚΜ του Grell, ενώ το κεφάλαιο τελειώνει µε συνοπτική περιγραφή του σχήµατος των Betts Miller. Στο πέµπτο κεφάλαιο διερευνάται η προγνωστική ικανότητα των τριών σχηµάτων ΠΚΚΜ που έχουν παρουσιαστεί στο προηγούµενο κεφάλαιο, σε περιπτώσεις θερινών καταιγίδων. Η χρονική περίοδος της µελέτης καλύπτει την θερµή περίοδο (15 Μαΐου 30 Σεπτεµβρίου) της τριετίας , όπου έχουν επιλεγεί 20 περιπτώσεις µε εκτεταµένες καταιγίδες αστάθειας στον Ελλαδικό χώρο. Συνολικά πραγµατοποιούνται 60 προσοµοιώσεις µε το µη υδροστατικό αριθµητικό µοντέλο ΜΜ5 και υπολογίζονται διάφοροι στατιστικοί δείκτες ώστε να γίνει συγκριτική αξιολόγηση της προγνωστικής ικανότητας της βροχόπτωσης, σε σχέση µε την επιλογή του σχήµατος παραµετροποίησης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αναπτύσσεται µία νέα µέθοδος επαλήθευσης των αποτελεσµάτων του µοντέλου για τη παράµετρο της βροχής, όπου αντί των παραδοσιακών βροχοµετρικών µετρήσεων, χρησιµοποιούνται δεδοµένα ηλεκτρικών εκκενώσεων από το σύστηµα καταγραφής του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών ZEUS. Το κεφάλαιο κλείνει µε την παρουσίαση της µεµονωµένης περίπτωσης της 6 ης Ιουνίου του Τα αποτελέσµατα του συγκεκριµένου κεφαλαίου έχουν δηµοσιευθεί στο διεθνές επιστηµονικό περιοδικό Atmospheric Research (Mazarakis et al., 2009). Το έκτο κεφάλαιο είναι αφιερωµένο στην προσπάθεια βελτίωσης της προγνωστικής ικανότητας του αριθµητικού µοντέλου MM5 κατά τη διάρκεια της θερµής περιόδου, που όπως και στα 9

18 προηγούµενα κεφάλαια, θεωρείται η περίοδος από αρχές Μαΐου έως τέλη Σεπτεµβρίου. Για το λόγο αυτό, χρησιµοποιώντας το γνήσιο σχήµα των Kain Fritsch και πλήθος άλλων τροποποιήσεων, γίνεται προσπάθεια να διερευνηθεί κατά πόσο µπορούν οι τροποποιήσεις που εφαρµόζονται να βελτιώσουν την πρόγνωση του υετού. Για τη µελέτη αυτή χρησιµοποιήθηκαν οι ίδιες ηµέρες µε εκτεταµένη καταιγιδοφόρο δραστηριότητα πάνω από την ηπειρωτική Ελλάδα κατά τη διάρκεια της θερµής περιόδου των ετών , που χρησιµοποιήθηκαν και στο κεφάλαιο 5. Οι τροποποιήσεις που έχουν γίνει στην αρχική έκδοση του σχήµατος είναι: (α) η µεγιστοποίηση της αποδοτικότητας της βροχόπτωσης, (β) η αλλαγή του χρονικού βήµατος ανάκλησης της ρουτίνας του σχήµατος από το αριθµητικό µοντέλο, (γ) η µεταβολή του ρυθµού παραγωγής υετού από το σχήµα, (δ) αλλαγές στη συνάρτηση ενεργοποίησης και (ε) η τροποποίηση της κατακόρυφης κατατοµής των ανοδικών ρευµάτων στο µοντέλο νέφους που χρησιµοποιείται στο σχήµα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των 180 προσοµοιώσεων που πραγµατοποιήθηκαν συνολικά. Το κεφάλαιο κλείνει µε τη µελέτη της περιπτώσεως της 30 ης Αυγούστου Τα αποτελέσµατα του συγκεκριµένου κεφαλαίου έχουν υποβληθεί προς δηµοσίευση στο διεθνές επιστηµονικό περιοδικό Natural Hazards and Earth System Sciences της European Geosciences Union. Η εργασία ολοκληρώνεται µε την παρουσίαση των συµπερασµάτων που προέκυψαν από την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής, καθώς επίσης και των µελλοντικών προοπτικών. 10

19 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα Εισαγωγή Η γεωγραφική θέση της χώρας µας, στο ανατολικό µέρος της λεκάνης της Μεσογείου, λόγω του εύκρατου κλίµατος, εξασφαλίζει ήπιες καιρικές συνθήκες κατά τη µεγαλύτερη διάρκεια του έτους. Ακραίες καιρικές καταστάσεις, όπως πολύ υψηλές ή πολύ χαµηλές θερµοκρασίες, µεγάλα ύψη βροχής ή σφοδροί άνεµοι αποτελούν εν γένει την εξαίρεση και όχι τον κανόνα, αν συγκρίνουµε τις καιρικές συνθήκες της χώρας µας µε τις αντίστοιχες άλλων περιοχών του πλανήτη. Έτσι η καταιγίδα ως φαινόµενο είναι ότι πιο έντονο µπορεί να παρατηρηθεί, καθώς δεν είναι λίγες οι φορές που µπορεί να συνοδεύεται από χαλάζι, θυελλώδεις ανέµους, έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα και σπανιότερα από την παρουσία ενός ανεµοστροβίλου (Sioutas et. al, 2009). Η σφοδρότητα µίας καταιγίδας µπορεί να επιφέρει σηµαντικά προβλήµατα σε µία περιοχή, που µπορεί ακόµα να φτάσουν και σε επίπεδο απωλειών ακόµα και σε ανθρώπινες ζωές. Ένα πρόσφατο παράδειγµα είναι η απώλεια µίας γυναίκας οδηγού, τον Ιούλιο του 2009 κατά µήκος της Εγνατίας Οδού. Όπως φαίνεται και στην επεξεργασµένη δορυφορική εικόνα του σχήµατος 2.1 εκείνης της ηµέρας στις 1200 UTC, διάσπαρτοι πυρήνες καταιγίδων επηρέαζαν τη χώρα µας, µε τη µεγαλύτερη νεφοκάλυψη να παρατηρείται στη Βόρεια Ελλάδα και τη Στερεά. υστυχώς η συγκεκριµένη περίπτωση δεν είναι το µοναδικό παράδειγµα. Σε κάθε περίπτωση όµως έχει παρατηρηθεί ότι οι µεγαλύτερες καταστροφές γίνονται κατά τη διάρκεια του θέρους, αφού το καλοκαίρι είναι η περίοδος καρποφορίας για τα περισσότερα είδη 11

20 Κεφάλαιο 2 Σχήµα 2.1: ορυφορική εικόνα της Ελλάδας, στις 1200 UTC της 6 ης Ιουλίου 2009, µε υπέρθεση ορατού και υπερύθρου µε δεδοµένα του Eumetsat (Πηγή: βάση δορυφορικών δεδοµένων του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών). των καλλιεργειών ενώ παράλληλα πολλοί πολίτες περνάνε ένα µεγάλο µέρος της ηµέρας στο ύπαιθρο. Το πιο εντυπωσιακό ίσως στοιχείο που αποκάλυψαν οι εκτεταµένες πλέον αναφορές, είναι ότι απλές καταιγίδες αέριας µάζας, πολλές φορές µονοκύτταρες, µπορούν να προκαλέσουν εκτεταµένες καταστροφές σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα αλλά και µεγάλες ραγδαιότητες. (Nicolaides et. al, 2009). Στις ενότητες που ακολουθούν γίνεται µία προσπάθεια να κατανοήσουµε καλύτερα το φαινόµενο της καταιγίδας. Έτσι περιγράφεται η δοµή ενός σωρειτοµελανία, του νέφους δηλαδή που προκαλεί µία καταιγίδα ενώ εξετάζονται λεπτοµερώς τα στάδια εξέλιξης µίας µονοκύτταρης και µίας πολυκύτταρης καταιγίδας. Επιπλέον περιγράφεται αναλυτικά η κατανοµή του ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό του καταιγιδοφόρου νέφους, ενώ παράλληλα περιγράφεται ο τρόπος δηµιουργίας των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Στις τελευταίες ενότητες γίνεται αναφορά στο 12

21 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα ιδιαίτερα σπουδαίο φαινόµενο της εισχώρησης ή πλευρικής ανάµιξης, ενώ εξετάζονται συνοπτικά οι κυριότεροι δείκτες αστάθειας που βρίσκουν εφαρµογή στις ελληνικές κλιµατολογικές συνθήκες. 2.2 οµή σωρειτοµελανία Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν σωρείτες οι οποίοι παράγουν βροχή, χωρίς στο εσωτερικό τους οι θερµοκρασίες να επιτρέπουν τη δηµιουργία παγοκρυστάλλων (θερµοί σωρείτες), οι περισσότεροι σωρείτες που παράγουν βροχή και κατατάσσονται έτσι ως σωρειτοµελανίες, αποτελούνται και από παγοκρυστάλλους. Αυτό άλλωστε αποτελεί και το κυριότερο χαρακτηριστικό των σωρειτοµελανιών αφού από µία συγκεκριµένη στάθµη και πάνω (στάθµη παγοποίησης), αποτελούνται κατά το µεγαλύτερο µέρος τους από παγοκρυστάλλους, οι οποίοι στην ανώτερη επιφάνεια του νέφους, διαχέονται στο περιβάλλον σχηµατίζοντας το χαρακτηριστικό αµόνι της καταιγίδας. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά της δοµής ενός σωρειτοµελανία απεικονίζονται στο σχήµα 2.2. Είναι φανερό ότι ένας σωρειτοµελανίας αποτελείται από δύο τοµείς. Ο 1 ος τοµέας χαρακτηρίζεται από ισχυρά ανοδικά ρεύµατα ενώ στον 2 ο οι παγοκρύσταλλοι παρουσιάζουν µεγάλες συγκεντρώσεις. Τα ανοδικά ρεύµατα του 1 ου τοµέα, που είναι και ο νεότερος σε σχέση µε τον 2 ο τοµέα, δηµιουργούνται υπό τη µορφή ανοδικών πυρήνων ατµοσφαιρικού αέρα, το σχήµα των οποίων θυµίζει µικρούς πύργους µε έντονο φωτεινό λευκό χρώµα, διαµέτρου 1-3 χιλιοµέτρων. Όταν ένας από αυτούς του πύργους ξεπεράσει τη στάθµη παγοποίησης, το µέγεθος των υδροσταγόνων φτάνει πλέον τα 20 µm και ξεκινάει αυτοµάτως η µετατροπή τους σε παγοκρυστάλλους, η οποία συνεχίζεται αδιαλείπτως έως ότου ο πύργος φτάσει το µέγιστο ύψος του. Όταν συµβεί αυτό η συγκέντρωση των παγοκρυστάλλων φτάνει σε εξαιρετικά µεγάλες τιµές, χωρίς όµως έως τώρα να είναι γνωστές όλες οι µικροφυσικές διεργασίες που ευνοούν το σχηµατισµό τους. Οι πιο µεγάλοι σε µέγεθος παγοκρύσταλλοι κινούνται αντίθετα µε το επιβραδυνόµενο ανοδικό ρεύµα συλλέγοντας κατά την καθοδική τους πορεία υδροσταγονίδια, µε τα οποία σχηµατίζουν τα λεγόµενα graupel. Οι µικρότεροι σε µέγεθος παγοκρύσταλλοι παρασύρονται από το ανοδικό ρεύµα σχηµατίζοντας το χαρακτηριστικό αµόνι. Στη συνέχεια οι παγοκρύσταλλοι που αποτελούν το αµόνι αρχίζουν την αργή τους καθοδική κίνηση και συγκεντρώνονται στην περιοχή πάνω από τη στάθµη παγοποίησης, όπου τελικά φτάνουν στο 13

22 Κεφάλαιο 2 Σχήµα 2.2: Εξελικτική δοµή ενός καταιγιδοφόρου νέφους βασισµένο σε 90 πειραµατικές πτήσεις αεροσκαφών σε µεγάλους και µικρούς σωρειτοµελανίες. (πηγή: Hobbs and Rangno, 1985). έδαφος µε τη µορφή στρωµατόµορφης βροχής (Houze, 1993). Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις αποτελούν ίσως το κυριότερο χαρακτηριστικό µίας καταιγίδας. Καθώς αναπτύσσεται το καταιγιδοφόρο νέφος η συχνότητα εµφάνισης των ηλεκτρικών εκκενώσεων αρχίζει να γίνεται αξιόλογη όταν η θερµοκρασία της κορυφής του νέφους φτάσει τους -15 µε -20 o C ή το ύψος περίπου των 7 km από το έδαφος. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις αρχικά συµβαίνουν στο εσωτερικό του νέφους (Intracloud, IC) ενώ οι εκκενώσεις νέφους εδάφους (Cloud-to-Ground, CG) ακολουθούν µετά από 5-10 λεπτά το µέγιστο των IC εκκενώσεων. Η εκδήλωση της ηλεκτρικής εκκένωσης σηµαίνει ότι θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία διαχωρίζονται µέσα στο νέφος και στην περιοχή της βροχής, µε αποτέλεσµα κάποιες περιοχές να έχουν πλεόνασµα θετικού φορτίου ενώ άλλες να έχουν πλεόνασµα αρνητικού φορτίου (Wallace and Hobbs, 2006). Η εκκένωση λοιπόν δεν είναι τίποτε άλλο παρά η µεταφορά ηλεκτρικού φορτίου από µία περιοχή του νέφους σε µία άλλη ή στο έδαφος. Η εκκένωση σχηµατίζει έναν φωτεινό κανάλι τη γνωστή µας αστραπή που η θερµοκρασία στο εσωτερικό του φτάνει τους Κ ενώ η πίεση αυξάνεται κατακόρυφα. Η αστραπή µέσα σε ελάχιστα κλάσµατα του δευτερολέπτου αρχίζει να επεκτείνεται στον περιβάλλοντα χώρο δηµιουργώντας ένα υπερηχητικό ωστικό κύµα και ένα 14

23 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα Σχήµα 2.3: Σχηµατική αναπαράσταση της κατανοµής των ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό ενός καταιγιδοφόρου νέφους. (πηγή: Williams, 1988) ηχητικό κύµα που είναι η γνωστή µας βροντή. Στο σχήµα 2.3 απεικονίζεται η τυπική κατανοµή του ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό ενός καταιγιδοφόρου νέφους. Είναι φανερό ότι τα αρνητικά φορτία βρίσκονται µεταξύ δύο περιοχών όπου κυριαρχούν τα θετικά φορτία, µε την άνω περιοχή να είναι µεγαλύτερη σε µέγεθος. Το σχήµα αυτής της περιοχής θυµίζει έναν πεπλατυσµένο δίσκο µε οριζόντια διάσταση µερικών χιλιοµέτρων αλλά µε πάχος µικρότερο από 1 km, ενώ η θερµοκρασία σε αυτό το ύψος είναι της τάξης των -15 oc. Μικρότερη συγκέντρωση αρνητικών φορτίων παρατηρείται επίσης στο άνω µέρος του καταιγιδοφόρου νέφους και στο αµόνι. Η δηµιουργία αυτών των φορτίων οφείλεται στον ιονισµό της ατµόσφαιρας από την κοσµική ακτινοβολία στα ανώτερα στρώµατα. Τα φορτία αυτά έλκονται από τα θετικά φορτία του νέφους. 2.3 Στάδια εξέλιξης µίας τυπικής καταιγίδας Η συνήθης εξέλιξη µίας τυπικής καταιγίδας περιλαµβάνει τρία στάδια τα οποία είναι: το στάδιο της ανάπτυξης, το στάδιο της ωρίµανσης και το στάδιο της διάλυσης (Wallace and Hobbs, 2006). 15

24 Κεφάλαιο 2 Τα τρία αυτά στάδια εµφανίζονται σε κάθε καταιγίδα αέριας µάζας και περιγράφονται αναλυτικότερα στις επόµενες παραγράφους Το στάδιο της ανάπτυξης Το στάδιο της ανάπτυξης (βλ. σχήµα 2.4) αρχίζει όταν µία µάζα ατµοσφαιρικού αέρα αναγκαστεί να εκτελέσει ανοδική κίνηση σε ένα περιβάλλον το οποίο χαρακτηρίζεται από δυναµική αστάθεια. Οι λόγοι για να κινηθεί µία αέρια µάζα ανοδικά είναι η διαφορική θέρµανση από το έδαφος, η επίδραση του αναγλύφου και η παρουσία µίας µετωπικής επιφάνειας. Καθώς ο αέρας ανυψώνεται ψυχραίνει και συµπυκνώνει τους υδρατµούς που περιέχει σχηµατίζοντας έναν σωρείτη. Καθώς ο σωρείτης µεγαλώνει σε µέγεθος η µετατροπή των υδρατµών σε νερό ή πάγο απελευθερώνει µεγάλες ποσότητες λανθάνουσας θερµότητας στο περιβάλλον. Με αυτό τον τρόπο ο αέρας του νέφους διατηρείται θερµότερος και άρα και ελαφρύτερος από τον περιβάλλοντα αέρα και το νέφος συνεχίζει να αυξάνεται σε ύψος. Το ανοδικό ρεύµα (updraft) που δηµιουργείται στο εσωτερικό του σωρείτη είναι αρκετά ισχυρό, επιταχύνεται καθ ύψος και στην κορυφή του µπορεί η ταχύτητά του να φτάσει ακόµα και τα 30 m/s. Η επιταχυνόµενη κίνηση προκαλεί εκτός από απότοµη ψύξη και εισχώρηση αέρα περιβάλλοντος (entrainment) στο εσωτερικό του νεφικού σχηµατισµού, φαινόµενο που θα εξεταστεί αναλυτικότερα στην ενότητα 2.5. Η είσοδος ψυχρότερου και ξηρότερου ατµοσφαιρικού αέρα από το περιβάλλον στο νέφος, έχει ως αποτέλεσµα να µειώνεται η θερµοκρασία στο εσωτερικό του σωρείτη. Η µείωση αυτή οφείλεται αφενός στη διείσδυση του ψυχρότερου αέρα περιβάλλοντος και αφετέρου στην εξάτµιση των υδροσταγόνων του νέφους, αφού ο αέρας γίνεται ξηρότερος. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα ο αέρας του νέφους να γίνεται βαρύτερος και να αρχίζει να κινείται πλέον προς τα κάτω δηµιουργώντας ένα καθοδικό ρεύµα (downdraft). Η εισχώρηση του αέρα περιβάλλοντος στο νεφικό σχηµατισµό είναι µία διαδικασία πολύ σηµαντική και όπως θα παρουσιαστεί και στο κεφάλαιο 4 προσοµοιώνεται από κάποια µοντέλα παραµετροποίησης των ανοδικών κινήσεων µεταφοράς. Η εισχώρηση αρχίζει όταν το νέφος φτάσει το επίπεδο παγοποίησης, ενώ συνεχίζοντας την ανοδική του κίνηση µπορεί να φτάσει ακόµα και το ύψος των 10 km. Το αρχικό στάδιο της ανάπτυξης διαρκεί κατά µέσο όρο λεπτά, ενώ µετά ακολουθεί το στάδιο της ωρίµανσης. 16

25 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα Ανάπτυξη Ωρίµανση ιάλυση Σχήµα 2.4: Τα τρία στάδια εξέλιξης µίας τυπικής καταιγίδας (Πηγή: U.S. Government Printing Office, 1449) Το στάδιο της ωρίµανσης Το στάδιο της ωρίµανσης (βλ. σχήµα 2.4) αρχίζει όταν οι πρώτες σταγόνες υπό τη µορφή όµβρου φτάνουν την επιφάνεια του εδάφους, αφού µεγαλώνουν πολύ σε µέγεθος και το ανοδικό ρεύµα δεν µπορεί πλέον να υπερνικήσει τη δύναµη της βαρύτητας. Το ύψος του καταιγιδοφόρου νέφους έχει φτάσει πλέον την ευσταθή στρατόσφαιρα και αρχίζει σταδιακά να παρασύρεται η κορυφή του από τη γενική κυκλοφορία, σχηµατίζοντας έτσι το χαρακτηριστικό αµόνι του σωρειτοµελανία. Το ύψος του νέφους ξεπερνάει τελικά τα 12 km, ενώ κατά την οριζόντιο η βάση του φτάνει σε διάµετρο µερικά χιλιόµετρα. Η ταχύτητα του ανοδικού ρεύµατος λαµβάνει τη µέγιστη τιµή της στο µέσο του νεφικού σχηµατισµού, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις µπορεί να ξεπεράσει και τα 30 m/s. Αυτό όµως που παίζει το σηµαντικότερο ρόλο σε αυτό το στάδιο, είναι η εµφάνιση ενός καθοδικού ρεύµατος, δίπλα στο ανοδικό, µε ταχύτητα που κατά µέσο όρο είναι η µισή της αντίστοιχης του ανοδικού. Το καθοδικό ρεύµα παρασύρει εκτός από τις υδροσταγόνες και νιφάδες χιονιού, οι οποίες όµως δεν προλαβαίνουν να φτάσουν στο έδαφος καθώς λιώνουν. Παράλληλα, όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.4, η καθοδική κίνηση του αέρα συνοδεύεται και από εισχώρηση ψυχρού και ξηρού αέρα περιβάλλοντος στο νέφος από την περιφέρεια του, ενώ ταυτόχρονα ο αέρας κάτω από τη βάση του νέφους ψυχραίνει λόγω της εξάτµισης των υδροσταγόνων πριν φτάσουν στο έδαφος. Το ψυχρό ρεύµα που φτάνει στην επιφάνεια πολλές φορές έχει τη µορφή ισχυρής και απότοµης ριπής, διασκορπίζοντας έτσι τις βροχοσταγόνες µε µεγάλη σφοδρότητα. Αν 17

26 Κεφάλαιο 2 µάλιστα η θερµοκρασία και η υγρασία το επιτρέπουν η βροχόπτωση µπορεί να συνοδευτεί και από χαλαζόπτωση µικρού µεγέθους ενώ παράλληλα παρατηρείται και αξιόλογη ηλεκτρική δραστηριότητα. Το στάδιο αυτό διαρκεί περίπου 30 λεπτά ενώ οι κυριότερες µεταβολές που παρατηρούνται στην επιφάνεια είναι η απότοµη πτώση της βαροµετρικής πίεσης και της θερµοκρασίας Το στάδιο της διάλυσης Το στάδιο της διάλυσης (βλ. σχ. 2.4) αρχίζει όταν το καθοδικό ρεύµα έχει υπερισχύσει έναντι του ανοδικού και έχει πλέον καταλάβει όλη την έκταση του νέφους. Η βροχή που πέφτει στο έδαφος γρήγορα εξασθενεί ενώ παράλληλα επικρατεί άπνοια. Η διακοπή των ανοδικών ρευµάτων ισοδυναµεί µε διακοπή της τροφοδότησης του νεφικού σχηµατισµού µε επιπλέον υδρατµούς, µε αποτέλεσµα η καταιγίδα να φθίνει σταδιακά, η πίεση στην επιφάνεια να αυξάνεται, ενώ ο νεφικός σχηµατισµός διαλύεται ή διασπάται σε µικρότερα νέφη. Έρευνες έχουν αποδείξει ότι µόνο το 20% των υδρατµών που συµπυκνώνονται τελικά καταλήγουν στο έδαφος σαν βροχή ενώ το υπόλοιπο ποσοστό εξατµίζεται µέσα στο καθοδικό ρεύµα ή παραµένει ως υπόλειµµα στα µικρότερα νέφη που σχηµατίζονται µετά την καταιγίδα (Byers and Braham 1949, Byers 1949, Braham 1952). 2.4 Πολυκύτταρη καταιγίδα Γενική περιγραφή Στην προηγούµενη ενότητα εξετάστηκαν αναλυτικά τα τρία στάδια εξέλιξης µίας τυπικής µονοκύτταρης καταιγίδας. Κατά την θερµή περίοδο του έτους τέτοιες καταιγίδες είναι ένα αρκετά συχνό φαινόµενα πάνω από τον Ελλαδικό χώρο και εντοπίζονται συνήθως τις θερµές ώρες της ηµέρας πάνω από τις ορεινές ηπειρωτικές περιοχές. Τα φαινόµενα γενικά έχουν µικρή διάρκεια και δεν χαρακτηρίζονται πάντα από σφοδρότητα (Simpson et al. 1980, Chisholm and Renick 1972). Όπως όµως θα δούµε και στο επόµενο κεφάλαιο, πολλές φορές κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, όταν οι ατµοσφαιρικές συνθήκες το επιτρέπουν, µπορούν να εκδηλωθούν ιδιαίτερα έντονες καταιγίδες οι οποίες συνοδεύονται από ισχυρούς ανέµους, χαλάζι και έντονη ηλεκτρική 18

27 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα δραστηριότητα. Τα φαινόµενα αυτά προκαλούνται από την λεγόµενη πολυκύτταρη καταιγίδα, τα χαρακτηριστικά της οποίας θα εξετάσουµε στην παρούσα ενότητα. Μία πολυκύτταρη καταιγίδα είναι ουσιαστικά η συνένωση πολλών µονοκύτταρων σε διαφορετικά στάδια εξέλιξης (βλ. σχήµα 2.5). Έτσι µία πολυκύτταρη καταιγίδα αποτελείται από κύτταρα και στα τρία στάδια εξέλιξης και έτσι στον ίδιο νεφικό σχηµατισµό περιλαµβάνονται νέφη µε έντονες ανοδικές κινήσεις, µαζί µε νέφη που περιλαµβάνουν και καθοδικά ρεύµατα ή νέφη που είναι στο στάδιο της διάλυσης (Byers and Braham, 1949). Ενώ ο τυπικός χρόνος ζωής µίας µονοκύτταρης καταιγίδας είναι η µία ώρα, η πολυκύτταρη καταιγίδα µπορεί να ξεπεράσει ακόµα και τις 2 ώρες Κατανοµή του ηλεκτρικού φορτίου και ηλεκτρικές εκκενώσεις Στο σχήµα 2.6 απεικονίζεται η κατανοµή των ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικού ενός πολυκύτταρου καταιγιδοφόρου νέφους. Αρχικά το νέφος αποτελείται από δύο ώριµα κύτταρα, στο εσωτερικό των οποίων η κατανοµή των ηλεκτρικών φορτίων είναι παρόµοια µε αυτή του σχήµατος 2.3. ηλαδή µεταξύ των θετικών φορτίων υπάρχει ένα επίπεδο όπου κυριαρχούν τα αρνητικά φορτία και βρίσκεται περίπου στο ύψος των C. Η αρχική εκκένωση συµβαίνει στο εσωτερικό του νέφους και έτσι µεταφέρονται ηλεκτρικά φορτία είτε στο ίδιο το νέφος είτε στο γειτονικό (σχήµα 2.6α). Στη συνέχεια αρχίζουν οι εκκενώσεις νέφους εδάφους, οι οποίες µεταφέρουν αρνητικά φορτία από το νέφος στο έδαφος. Τα αρνητικά φορτία δεν προέρχονται µόνο από το κύτταρο που ξεκινάει η εκκένωση αλλά και από το γειτονικό κύτταρο (σχήµα 2.6β). Στο επόµενο στάδιο, όπου το χαρακτηριστικό αµόνι της καταιγίδας έχει αποκτήσει µεγάλη οριζόντια έκταση, οι εκκενώσεις ξεκινούν από την περιοχή των αρνητικών φορτίων και διακλαδίζονται προς αυτό, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις παρατηρούνται και εκκενώσεις νέφους εδάφους οι οποίες ξεκινούν από το αµόνι (σχήµα 2.6.γ). Στο στάδιο αυτό το ένα κύτταρο αρχίζει και εξασθενεί και εισέρχεται στο στάδιο της διάλυσης. Στο επόµενο στάδιο κυριαρχούν οι εκκενώσεις στο εσωτερικό του νέφους, οι οποίες είναι οριζόντιες και µεταφέρουν αρνητικό φορτίο από το ενεργό κύτταρο, στο κύτταρο που είναι στο στάδιο της διάλυσης. Οι εκκενώσεις αυτές συµβαίνουν µε συχνότητα µερικών το λεπτό, ενώ από το κύτταρο που βρίσκεται στη φάση της διάλυσης µπορούν να παρατηρηθούν εκκενώσεις προς το έδαφος, οι οποίες µεταφέρουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο. 19

28 Κεφάλαιο 2 (α) (β) (γ) Σχήµα 2.5: Σχηµατική αναπαράσταση µίας πολυκύτταρης καταιγίδας που παρατηρήθηκε στο Ohio των Η.Π.Α. κατά τη διάρκεια του ερευνητικού προγράµµατος The Thunderstorm Project ( ). Η καταιγίδα αποτελείται από πολλά κύτταρα σε διάφορα στάδια εξέλιξης. (α) κάτοψη της καταιγίδας, (β) κατακόρυφη διατοµή µεταξύ των Α-Α, (γ) κατακόρυφη διατοµή µεταξύ των σηµείων B-B. (Πηγή: Byers, 1959) 20

29 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα Σχήµα 2.6: Σχηµατική αναπαράσταση της κατανοµής του ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό του νεφικού σχηµατισµού µίας πολυκύτταρης καταιγίδας σε διάφορα στάδια εξέλιξης. (πηγή: Krehbiel, 1986) Εξαιρετικό ενδιαφέρον παρουσιάζει ο τρόπος µε τον οποίο µία αστραπή πέφτει στο έδαφος καθώς, αν και το φαινόµενο διαρκεί µόλις λίγα κλάσµατα του δευτερολέπτου, αποτελείται από πολλά διαδοχικά βήµατα. Οι σύγχρονες αντιλήψεις περί του φαινοµένου καταρρίπτουν τη γενικότερη πεποίθηση ότι η αστραπή ξεκινάει από το σύννεφο και χτυπάει το έδαφος, αφού όπως θα δούµε κάτι τέτοιο ισχύει εν µέρει. Το «µονοπάτι» που διέρχεται η αστραπή ξεκινώντας από το νέφος προς το έδαφος, είναι µία τεθλασµένη γραµµή αποτελούµενη από πολλά διαδοχικά βήµατα. Κάθε βήµα διαρκεί µόλις 1 µs, κατά τη διάρκεια του οποίου η αστραπή διανύει ~50 m απόσταση ενώ το επόµενο βήµα αρχίζει µετά από 50 µs. Η απαρχή µίας ηλεκτρικής εκκένωσης θεωρείται ότι έχει την αιτία της σε µία τοπική, µικρής κλίµακας, ηλεκτρική αποφόρτιση που συµβαίνει µεταξύ του κάτω µέρους του νέφους, όπου περιέχονται θετικά φορτία και της στενής ζώνης από πάνω που κυριαρχούν τα αρνητικά φορτία (σχ. 2.7β). Έτσι απελευθερώνονται ηλεκτρόνια τα οποία καθιστούν την περιοχή αυτή ηλεκτρικώς ουδέτερη (σχ. 2.7γ) και στη συνέχεια αρχίζουν να κινούνται προς το έδαφος (σχ. 2.7γ-ε). Πλησιάζοντας την επιφάνεια της γης, η αστραπή αρχίζει να έλκει θετικά φορτία του εδάφους τα οποία συγκεντρώνονται στις υψηλότερες προεξοχές τους εδάφους όπως είναι τα κτίρια, τα δέντρα και κάθε είδος φυσικό ή τεχνητό εµπόδιο, το οποίο προεξέχει από αυτό. Γύρω στα 10 µε 100 m πριν η αστραπή αγγίξει το έδαφος µία αντίθετης κατεύθυνσης, από το έδαφος προς το νέφος, ηλεκτρική εκκένωση ξεκινάει, η οποία κινούµενη 21

30 Κεφάλαιο 2 Σχήµα 2.7: Σχηµατική αναπαράσταση της εξέλιξης µίας ηλεκτρικής εκκένωσης µεταξύ νέφους εδάφους. (πηγή: Wallace, Hobbs, 2006) προς τα πάνω ενώνεται µε την βασική ηλεκτρική εκκένωση. Τότε παρατηρείται µία εξαιρετικά µεγάλη µεταφορά αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων προς το έδαφος που ακολουθείται από µία αντίθετης κατεύθυνσης, ροή ηλεκτρονίων από το έδαφος προς το νέφος. Αυτή η ροή των ηλεκτρονίων, η οποία ονοµάζεται επιστρέφουσα εκφόρτιση, δηµιουργεί το χαρακτηριστικό φωτεινό µονοπάτι της αστραπής. Επειδή η επιστρέφουσα εκφόρτιση διαρκεί µόλις 100 µs, το ανθρώπινο µάτι δεν προλαβαίνει να αντιληφθεί όλη την πορεία της εκφόρτισης και την αντιλαµβάνεται ως στιγµιαία (λεπτοµερής περιγραφή δίνεται στη διδακτορική διατριβή του. Κατσάνου, 2007). Μετά την πρώτη αστραπή, η οποία µεταφέρει και το µεγαλύτερο µέρος του ηλεκτρικού φορτίου (κατά µέσο όρο Α), µπορούν να δηµιουργηθούν και άλλες διαδοχικές εκκενώσεις, ακολουθώντας το ίδιο µονοπάτι. Στις εκκενώσεις αυτές ηλεκτρόνια µεταφέρονται στο κάτω µέρος του νέφους. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια παρέχονται από τα επονοµαζόµενα K ή J ρεύµατα, τα οποία κινούνται προς τα πάνω από την κορυφή της προηγούµενης εκφόρτισης σε υψηλότερα σηµεία της αρνητικά φορτισµένης περιοχής του νέφους. Τότε µία δεύτερη εκφόρτιση (dart leader) αρχίζει να κινείται προς το έδαφος, ακολουθώντας το αρχικό µονοπάτι, µεταφέροντας επιπλέον ηλεκτρόνια 22

31 Περιγραφή καταιγιδοφόρων νεφών και ηλεκτρική δραστηριότητα προς τα κάτω (σχ. 2.7ι,ια). Η δεύτερη εκφόρτιση είναι επίσης πολύ φωτεινή (σχ. 2.7ιβ) αλλά διαφέρει στο ότι δεν αποτελείται από πολλά παρακλάδια όπως η πρώτη εκφόρτιση. Σε γενικές γραµµές οι περισσότερες αστραπές αποτελούνται από τρεις έως τέσσερις εκφορτίσεις οι οποίες απέχουν χρονικά κατά 50 ms και µπορούν να µεταφέρουν φορτία µεγαλύτερα των 20 C από το κάτω µέρος του νέφους της καταιγίδας, στο έδαφος. Για να ξεσπάσει η επόµενη αστραπή πρέπει να µεσολαβήσουν τουλάχιστον 10 s ώστε να γίνει η αναδιανοµή των φορτίων. Εντυπωσιακή είναι επίσης, όχι µόνο η αύξηση της θερµοκρασίας στους Κ στο µονοπάτι που δηµιουργεί η επιστρέφουσα εκφόρτιση, αλλά και η ταυτόχρονη αύξηση της ατµοσφαιρικής πίεσης κατά atm γεγονός που προκαλεί την χαρακτηριστική βροντή που συνοδεύει µία ηλεκτρική εκκένωση. Η µέγιστη απόσταση που µπορεί να γίνει αντιληπτή µία βροντή είναι τα 25 km ενώ σε λίγες περιπτώσεις µπορεί η απόσταση αυτή να αυξηθεί λόγω της διάθλασης των ηχητικών κυµάτων Ισχυρές καταιγίδες εν είναι λίγες οι φορές που κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου ισχυρές καταιγίδες έχουν προξενήσει σηµαντικές ζηµιές σε αρκετές περιοχές της χώρας µας. Μία καταιγίδα χαρακτηρίζεται ως ισχυρή όταν συνοδεύεται από µεγάλα ύψη βροχής, υψηλές ραγδαιότητες, χαλάζι αλλά και καταστροφικούς ριπαίους ανέµους και έχει διάρκεια που σε ορισµένες περιπτώσεις ξεπερνά και τις δύο ώρες. Τα αποτελέσµατα των ισχυρών καταιγίδων είναι οι ξαφνικές και εκτεταµένες πληµµύρες, οι καταστροφές στην αγροτική παραγωγή από τη χαλαζόπτωση και οι καταστροφές σε οικιακές ηλεκτρικές συσκευές από µεταβολές στην τάση του ρεύµατος που προκαλείται είτε από τις πτώσεις των κεραυνών, είτε από τη καταπόνηση του δικτύου µεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας λόγω των ριπαίων ανέµων. Το σχήµα 2.8 απεικονίζει την κυκλοφορία στο εσωτερικό του καταιγιδοφόρου νέφους καθώς επίσης και τις περιοχές που παρατηρούνται διάφορα µετεωρολογικά φαινόµενα. Η ανάπτυξη µίας ισχυρής καταιγίδας ευνοείται σε περιοχές που επικρατεί µεγάλη ατµοσφαιρική αστάθεια και υπάρχει µεγάλη κατακόρυφη διάτµηση του ανέµου. Αν και ο µηχανισµός ανάπτυξης δεν διαφέρει από τον αντίστοιχο της µονοκύτταρης καταιγίδας αέριας µάζας που εξετάστηκε προηγουµένως, η 23