ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΙΑΚΥΜΑΝΣΗΣ ΤΟΥ ΥΕΤΙΣΙΜΟΥ Υ ΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΩΝ

Transcript

1 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΙΑΚΥΜΑΝΣΗΣ ΤΟΥ ΥΕΤΙΣΙΜΟΥ Υ ΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΩΝ ΑΘΗΝΩΝ Ν. Χρυσουλάκης, Μ. Προέδρου, Κ. Καρτάλης Τοµέας Φυσικής Εφαρµογών, Πανεπιστήµιο Αθηνών Ιπποκράτους 33, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή εξετάζονται οι διακυµάνσεις και τάσεις των χρονοσειρών του υετίσιµου νερού για το σταθµό του Ελληνικού (µε βάση ραδιοβολίσεις 00:00 UTC και 1:00 UTC) για το χρονικό διάστηµα Οι χρονοσειρές των ετήσιων και εποχιακών τιµών του υετίσιµου νερού αναλύθηκαν για τη µελέτη των τάσεων µε τη βοήθεια της ανάλυσης γραµµικής παλινδρόµησης και του στατιστικού ελέγχου Mann-Kendall. Από τη µελέτη των αποτελεσµάτων προκύπτει η ύπαρξη πτωτικής τάσης για τις 00:00 UTC µετά το 1977, ενώ για τις 1:00 UTC δεν παρατηρείται στατιστικά σηµαντική τάση. ESTIMATION OF PRECIPITABLE WATER VARIATIONS OVER ATHENS N. Chrysoulakis, M. Proedrou, C. Cartalis Department of Applied Physics, University of Athens, 33 Ippokratous str., Athens ABSTRACT Variations and trends of the times series of precipitable water values at Hellinicon Station are examined (00:00 UTC and 1:00 UTC radiosondes) for the time period These time series are analyzed by using the regression analysis and the Mann-Kendall rank statistic. A downward trend is detected for 00:00 UTC from around 1977 and beyond, while for 1:00 UTC there is not any statistical significant trend. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αλληλεπίδραση των υδρατµών µε τη µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολία που προέρχεται από την επιφάνεια του εδάφους και η εκποµπή των ίδιων των υδρατµών σε µεγαλύτερα µήκη κύµατος τροποποιούν σε µεγάλο βαθµό το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη. Οι υδρατµοί είναι το αέριο που συνεισφέρει περισσότερο στο φαινόµενο του θερµοκηπίου και είναι παράµετρος κλειδί στην κατανόηση του κλιµατικού χαρακτήρα της γής και της ευαισθησίας του στις µεταβολές της ποσότητας του διοξειδίου του άνθρακα (Soden and Bretherton, 1993). Εργασίες που έχουν βασιστεί σε παρατηρήσεις πολλών ετών (Stephens, 1990) έχουν επισηµάνει τη σηµασία της ανάδρασης των υδρατµών στη διατήρηση της ισορροπίας του θερµοκηπιακού κατεστηµένου της ατµόσφαιρας. Πιο πρόσφατες εργασίες (Kiehl and Briegleb, 199), έχουν δείξει τη σηµασία της κατακόρυφης κατανοµής των υδρατµών για τον ποσοτικό προσδιορισµό της µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολίας που εκπέµπει η ατµόσφαιρα, καθώς και για την εκτίµηση των εποχιακών µεταβολών του υετίσιµου νερού και του φαινοµένου του θερµοκηπίου (Bony and Duvel, 1994). Η γνώση της κατακόρυφης κατανοµής των υδρατµών απαιτεί την πραγµατοποίηση ραδιοβολίσεων, µε συνέπεια οι µετρήσεις που γίνονται για το σκοπό αυτό να είναι ελάχιστες σε παγκόσµια κλίµακα (Elliott and Gaffen, 1991).

2 Καθοριστικός παράγοντας για την αλληλεπίδραση των υδρατµών µε τη µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολία είναι το υετίσιµο νερό (W), που είναι το ολικό ποσό των υδρατµών σε κατακόρυφη διεύθυνση µεταξύ της επιφάνειας της γης (ή µιας επιφάνειας σε ένα συγκεκριµένο ύψος) και της κορυφής της ατµόσφαιρας: 1 W = M r dp g 0 p s όπου Mr είναι η αναλογία µίγµατος, g η επιτάχυνση της βαρύτητας, P η πίεση και Ps η πίεση στην επιφάνεια (Iqbal, 1983). Από την πιο πάνω εξίσωση, είναι φανερό ότι το W έχει διαστάσεις µάζας ανά µονάδα επιφάνειας. Ετσι µπορεί να ειπωθεί ότι το υετίσιµο νερό εκφράζει το ύψος που θα έφτανε η στάθµη του νερού που θα σχηµατιζόταν αν συµπυκνώνονταν όλος ο υδρατµός µιας κατακόρυφης ατµοσφαιρικής στήλης µοναδιαίας επιφάνειας. () 1 Ε ΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Εχοντας τις τιµές της σχετικής υγρασίας και της θερµοκρασίας από την επιφάνεια του εδάφους ως τα 500 hpa από τις µετρήσεις των ραδιοβολίσεων της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας (00:00 UTC και 1:00 UTC), για τα έτη , µε βάση την εξίσωση (1), υπολογίζεται το υετίσιµο νερό για ατµοσφαιρική στήλη από την επιφάνεια του εδάφους ως τα 500 hpa και κατόπιν οι µέσες µηνιαίες τιµές της παραµέτρου. Για να υπολογιστεί το ολοκλήρωµα στην (1) (τα όρια ολοκλήρωσης στη συγκεκριµένη περίπτωση είναι από p = ps ως p = 500 hpa) ακολουθείται η εξής µέθοδος: Η ατµοσφαιρική στήλη µπορεί να χωριστεί σε 11 στρώµατα µε p = 50 hpa. Η διαίρεση γίνεται µε τον τρόπο αυτό γιατί οι µετρήσεις των ραδιοβολίσεων δίνουν τιµές των διαφόρων ατµοσφαιρικών παραµέτρων για τα επίπεδα πίεσης της κορυφής και της βάσης καθενός από τα στρώµατα που σχηµατίζονται, εφόσον η ραδιοβολίδα κατά την άνοδό της παίρνει µετρήσεις ανά 50 hpa. Στο τυχόν στρώµα i (i=1 ως 13), µια ατµοσφαιρική παράµετρος Xi µπορεί να θεωρηθεί σταθερή, ίση µε το µέσο όρο των τιµών της στην κορυφή και στη βάση του στρώµατος, δηλαδή: X( pi) + X( pi+ 1) X i = Με βάση τα παραπάνω η (1) µπορεί να γραφεί: ( ) 11 1 W = ( M ) p ( 3) g i= 1 r i i Είναι γνωστό ότι η αναλογία µίγµατος µπορεί να δοθεί από τη σχέση: M r v = ρ ρ d ( 4 ) όπου ρv είναι η πυκνότητα των υδρατµών η οποία µπορεί να υπολογιστεί σε κάθε επίπεδο πίεσης Pi από την εξίσωση: e() z ρ () z = 16, 7 (5) T όπου: e(z) είναι η απόλυτη υγρασίας σε ένα δεδοµένο ύψος z και Τ η θερµοκρασία και ρd είναι η πυκνότητα του ξηρού αέρα η οποία µπορεί να υπολογιστεί σε κάθε επίπεδο πίεσης Pi. Η (3) εφαρµόζεται σε κάθε περίπτωση ώστε να υπολογιστεί τελικά το ολικό υετίσιµο νερό για την ατµοσφαιρική στήλη από την επιφάνεια του εδάφους ως τα 500 hpa. Mε βάση τις µέσες µηνιαίες τιµές του υετίσιµου νερού που υπολογίζεται µε την παραπάνω µέθοδο, προκύπτουν οι ετήσιες και εποχιακές µέσες τιµές για 00:00 UTC και 1:00 UTC. O έλεγχος της τάσης

3 έγινε κατ αρχάς εφαρµόζοντας την ανάλυση γραµµικής παλινδρόµησης και υπολογίζοντας την κλίση της ευθείας παλινδρόµησης η οποία ελέγχεται στατιστικά µε µηδενική υπόθεση ότι ισούται µε µηδέν, χρησιµοποιώντας t-test. Στη συνέχεια έγινε η εφαρµογή του στατιστικού ελέγχου σειριακής συσχέτισης Mann-Kendall δια µέσου προοδευτικής ανάλυσης των χρονοσειρών, όπως προτείνεται από τον Sneyers (1990). Ο έλεγχος Mann-Kendall θεωρείται ο πιο κατάλληλος (Goosens and Berger, 1986) για τη µελέτη των κλιµατικών αλλαγών σε κλιµατολογικές χρονοσειρές ή για τη διερεύνηση µιας κλιµατικής ασυνέχειας. Πιο συγκεκριµένα ο µη παραµετρικός στατιστικός έλεγχος Mann- Kendall υπολογίζει όλες τις τυποποιηµένες µεταβλητές u(di), 1 i N, µέσω µιας σχέσης παρόµοιας µε αυτή που αναφέρεται από τους Mitchell et al. (1966) για τη u(d N ). Η γραφική αναπαράσταση όλων των τιµών u(di), κατά µήκος του άξονα του χρόνου ορίζεται σαν C 1. Η ίδια αρχή εφαρµόζεται και στην αντίστροφη σειρά των τιµών u'(di), η γραφική αναπαράσταση της οποίας ορίζεται σαν C. Η τοµή των καµπύλων C 1 και C, προσδιορίζει το έτος έναρξης µιας κλιµατικής αλλαγής (αύξηση ή µείωση του υετίσιµου νερού). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στα σχήµατα 1 και εµφανίζονται ενδεικτικά οι χρονοσειρές για τις µέσες ετήσιες τιµές για 00:00 UTC και 1:00 UTC. Εφαρµόστηκε ο στατιστικός έλεγχος Mann-Kendall µε τον οποίο υπολογίστηκαν οι τελικές τιµές της τυποποιηµένης µεταβλητής u(d) η οποία, ανάλογα µε το αν είναι κατ απόλυτη τιµή µεγαλύτερη από 1.96, δείχνει την ύπαρξη στατιστικά σηµαντικής τάσης στις χρονοσειρές που µελετώνται (Πίνακας 1). Ακολούθως εφαρµόστηκε σε όλες τις χρονοσειρές, γραφική ανάλυση για τις µεταβλητές u(d) και u (d) (καµπύλες C 1 και C αντίστοιχα), για τον προσδιορισµό της τοµής των καµπύλων. Στα σχήµατα 3 και 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα για τις µέσες ετήσιες τιµές του υετίσιµου νερού για 00:00 UTC και 1:00 UTC. Υπολογίστηκε έτσι το προσεγγιστικό έτος αύξησης ή µείωσης του υετίσιµου νερού (Πίνακας ). ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Οι τελικές τιµές της µεταβλητής u(d) του στατιστικού ελέγχου Mann Kendall για τις µέσες τιµές του υετίσιµου νερού για το έτος και τις τέσσερεις εποχές ξεχωριστά για 00:00 UTC και 1:00 UTC ( ). Ετος Χειµώνας Ανοιξη Καλοκαίρι Φθινόπωρο 00:00 UTC :00 UTC (µε έντονα γράµµατα ορίζονται οι στατιστικά σηµαντικές περιπτώσεις σε επίπεδο σηµαντικότητας 5%) ΠΙΝΑΚΑΣ. Προσεγγιστικό έτος έναρξης της αύξησης ή µείωσης του υετίσιµου νερού, σύµφωνα µε την προοδευτική ανάλυση Mann-Kendall, για τις µέσες τιµές του υετίσιµου νερού για το έτος και τις τέσσερεις εποχές ξεχωριστά για 00:00 UTC και 1:00 UTC. Ετος Χειµώνας Ανοιξη Καλοκαίρι Φθινόπωρο 00:00 UTC **(1987) **(1987) 1:00 UTC * * * * * * δεν παρατηρείται απότοµη κλιµατική αλλαγή σε επίπεδο σηµαντικότητας 5% ** σήµερα δεν βρισκόµαστε σε περίοδο αύξησης ή µείωσης + σηµαίνει αύξηση - σηµαίνει µείωση ( ) προσεγγιστικό έτος αλλαγής της τάσης (από αύξηση σε µείωση ή αντίστροφα) ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

4 Η ανάλυση των χρονοσειρών αυτών του υετίσιµου νερού για το διάστηµα για το Ελληνικό δείχνει γενικά µια πτωτική τάση των τιµών του υετίσιµου νερού για 00:00 UTC, ενώ για 1:00 UTC η µεταβολή που εµφανίζεται δεν είναι στατιστικά σηµαντική. Αυτή η πτωτική τάση παρουσιάζεται κυρίως στις µέγιστες τιµές της παραµέτρου (καλοκαίρι) καθώς και στις ελάχιστες τιµές (χειµώνας), γεγονός που επηρεάζει τη συνολική τάση των ετήσιων τιµών. Από την προοδευτική ανάλυση Mann- Kendall προκύπτει ότι η πτωτική τάση του υετίσιµου νερού για τις 00:00 UTC εµφανίζεται από το 1977 (στατιστικά σηµαντική για έτος, χειµώνα, και καλοκαίρι), αλλά αυτή φαίνεται να αναστρέφεται µετά το 1987 για την άνοιξη και το φθινόπωρο. Οσον αφορά τις 1:00 UTC, δεν προκύπτει κάποια στατιστικά σηµαντική µεταβολή στις τιµές του υετίσιµου νερού. Ο υπολογισµός των τιµών του υετίσιµου νερού µε βάση τους αλγόριθµους που παρουσιάζονται καθώς και η εκτίµηση των τάσεων που εµφανίζει η χρονοσειρά αποτελούν ιδιαίτερα χρήσιµη πληροφορία που µπορεί να βοηθήσει στην εκτίµηση πιο σύνθετων ατµοσφαιρικών παραµέτρων, όπως για παράδειγµα στο φαινόµενο του θερµοκηπίου, όπου η συνολική ποσότητα των υδρατµών µιας ατµοσφαιρικής στήλης παίζει τον πιο σηµαντικό ρόλο, συµβάλλοντας έτσι στην κατανόηση των κλιµατικών µεταβολών. Επίσης θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν σαν δεδοµένα εισαγωγής σε κλιµατικά µοντέλα ή σε µοντέλα προσοµοίωσης της ατµόσφαιρας. Τέλος, η γνώση των τιµών του υετίσιµου νερού είναι απαραίτητη για τη σύγκριση των µετρήσεων των ραδιοβολήσεων µε µετρήσεις υγρασίας από δορυφορικά όργανα τα οποία εκτιµούν την υγρασία της ατµόσφαιρας µέσω της εξασθένισης της ακτινοβολίας από τη συνολική ποσότητα των υδρατµών µιας ατµοσφαιρικής στήλης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βοny, S. and Duval, J.P Influence of the vertical structure of the atmosphere on the seasonal variation of precipitable water and greenhouse effect, J. Geophys. Res., 99, 1,963-1,980 Elliot, W. P. and Gaffen, D. J On the utility of radiosonde humidity archives for climate studies, Bull. Am. Meteorol. Soc., 7, Goosens, Ch. and Berger, A Annual and seasonal climatic variations over the Northern Hemisphere and Europe during the last century, Annales Geophys., B, Iqbal, M An introduction to solar radiation, academic Press, Torondo Kiehl, J. T. and Briegleb, B. P. 199 Comparison of he observed and calculated clear sky greenhouse effect: Implications for climate studies, J. Geophys. Res., 97, 10,037-10,049 Mitchell, J.M. et al Climatic change, WMO Tech. Note 79, WMO Sneyers, R. No.195.TP-100, Geneva, 79 pp On the statistical analysis of series of observations, Tech. Note 143, WMO No. 415, Geneva, 19 pp. Soden, B. J. and Bretherton, F. P Upper tropospheric relative humidity from GOES 6,7 µm channel: Method and climatology for July 1987, J. Geophys. Res, 98, No D9, 16,669-16,688 Stephens, G. L., 1990 On the relationship between water vapor over the oceans and sea surface temperature, J. Climatol, 3,

5 ,6,4, PW (cm) 1,8 1,6 1, ΣΧΗΜΑ 1. Οι χρονοσειρές (αρχικά δεδοµένα ( ) και γραµµή τάσης ( )) για τις µέσες ετήσιες τιµές του υετίσιµου νερού (00:00 UTC) για το σταθµό τoυ Ελληνικού.,6,4, PW (cm) 1,8 1,6 1, ΣΧΗΜΑ. Οι χρονοσειρές (αρχικά δεδοµένα ( ) και γραµµή τάσης ( )) για τις µέσες ετήσιες τιµές του υετίσιµου νερού (1:00 UTC) για το σταθµό τoυ Ελληνικού.

6 6 4 u(d), u'(d) 0 C - C Year ΣΧΗΜΑ 3. Γραφική αναπαράσταση της προοδευτικής ανάλυσης Mann-Kendall (C 1,C ---) για τις µέσες ετήσιες τιµές του υετίσιµου νερού για το σταθµό του Ελληνικού (00:00 UTC). 6 4 u(d), u'(d) 0 C - C Year ΣΧΗΜΑ 4. Γραφική αναπαράσταση της προοδευτικής ανάλυσης Mann-Kendall (C 1,C ---) για τις µέσες ετήσιες τιµές του υετίσιµου νερού για το σταθµό του Ελληνικού (1:00 UTC).