Αριθμητική πρόγνωση καιρού και η συμβολή της στην πρόγνωση τοπικών πλημμυρών Αναστάσιος Παπαδόπουλος Ινστιτούτο Θαλάσσιων Βιολογικών Πόρων και Εσωτερικών Υδάτων
Πρόγνωση Καιρού Οι πρώτες επιστημονικές προσπάθειες για πρόγνωση καιρού βασίζονται σε συνοπτικούς χάρτες και η ακρίβεια της εξαρτάται από την εμπειρία και την κρίση των προγνωστών (Συνοπτική Μετεωρολογία) H σημαντική πρόοδος, που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στο χώρο των ηλεκτρονικών υπερυπολογιστών, διευκόλυνε την ανάπτυξη των αριθμητικών ατμοσφαιρικών μοντέλων, η επιχειρησιακή εφαρμογή των οποίων έχει βελτιώσει αισθητά την πρόγνωση καιρού (Αριθμητική Πρόγνωση Καιρού)
Αριθμητική Πρόγνωση Καιρού Η εξέλιξη των συνθηκών της ατμόσφαιρας μπορεί να περιγραφεί από νόμους της φυσικής που εκφράζονται από μαθηματικές εξισώσεις που συσχετίζουν στο χώρο και στο χρόνο τις μεταβολές βασικών μετεωρολογικών μεταβλητών (όπως, θερμοκρασία, υγρασία, άνεμο, πίεση) με το αίτιο που τις προκάλεσε. Έτσι, η γνώση των αρχικών συνθηκών της ατμόσφαιρας επιτρέπει την πρόβλεψη των νέων συνθηκών της ατμόσφαιρας σε μελλοντικό χρόνο (πρόγνωση)
Αριθμητικό Ατμοσφαιρικό Μοντέλο Ατμοσφαιρικό μοντέλο είναι ένα σύνολο διαφορικών εξισώσεων, που περιέχουν μη γραμμικούς όρους εξαρτημένων μεταβλητών με τη μορφή μερικών και ολικών παραγώγων ως προς το χώρο και το χρόνο. Δεν υπάρχει αναλυτική λύση των εξισώσεων αυτών, αλλά επιλύονται αριθμητικά χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. αρχή διατήρησης της κίνησης αρχή διατήρησης της μάζας (εξίσωση συνέχειας) αρχή διατήρησης της θερμότητας αρχή διατήρησης της ποσότητας νερού
Αναπαράσταση της ατμόσφαιρας Με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών η ατμόσφαιρα παύει να θεωρείται συνεχής αλλά αντιμετωπίζεται ως ένα μέσο που αποτελείται από διακριτές περιοχές με συγκεκριμένες διαστάσεις (Δx, Δy, Δz) και εξελίσσεται σε διακριτές χρονικές στιγμές (Δt). Έτσι η επίλυση των βασικών εξισώσεων πραγματοποιείται πάνω σε πλέγμα σημείων ανά σταθερά χρονικά βήματα.
Αναπαράσταση της ατμόσφαιρας χωρικά Η τιμή μιας μεταβλητής, π.χ. της θερμοκρασίας, σε ένα σημείο πλέγματος, αντιπροσωπεύει τη μέση τιμή της θερμοκρασίας του χώρου που αντιπροσωπεύεται από το συγκεκριμένο σημείο πλέγματος. 3,2
Τοπογραφία μοντέλου 25 Km 10 5 Km
Αναπαράσταση της ατμόσφαιρας χρονικά Ανάλογα, ο χρόνος παύει να είναι συνεχής και τα πάντα συμβαίνουν σε διακριτές χρονικές στιγμές. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται ανά σταθερά χρονικά βήματα της τάξης των δευτερολέπτων ή λεπτών. Η επαναλαμβανόμενη επίλυση του συνόλου των εξισώσεων οδηγεί στην πρόγνωση του καιρού για την επόμενη ημέρα ή για την επόμενη εβδομάδα.
Προσομοίωση ατμοσφαιρικών διεργασιών Τα ατμοσφαιρικά μοντέλα με την επίλυση του ολοκληρωμένου συστήματος των εξισώσεων καλούνται να περιγράψουν όσο το δυνατό μεγαλύτερο φάσμα ατμοσφαιρικών διεργασιών.
Διαχωρισμός κλιμάκων ατμοσφαιρικών διεργασιών Κατά την ολοκλήρωση του μοντέλου, η τιμή μιας μεταβλητής Α αναλύεται σε δύο συνιστώσες: A A A Στη μέση τιμή A t t t x x x y y y z z z dx dy dz dt A (Δx)(Δy)(Δz)(Δt) και στην απόκλιση της τιμής της μεταβλητής Α, Α, από τη μέση τιμή της (μεταβλητότητα μικρότερης κλίμακας από τη δομή του μοντέλου - subgrid scale variability). Με την ανάλυση αυτή διαχωρίζονται οι κλίμακες που επιλύονται αναλυτικά από το μοντέλο, από εκείνες που υπολογίζονται χρησιμοποιώντας διάφορα σχήματα παραμετροποίησης.
Παραμετροποίηση ατμοσφαιρικών διεργασιών Τα σημαντικότερα σχήματα παραμετροποίησης αφορούν τον υπολογισμό: των διαδικασιών υγροποίησης, μικροφυσικής και σχηματισμού υετού (συμπύκνωση, εξάτμιση, δημιουργία υδρομετεώρων κτλ) των ροών ενέργειας, ορμής και μάζας στο σύστημα έδαφος-ατμόσφαιρας-θάλασσα της διάδοσης της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα της κατακόρυφης τυρβώδους ανάμιξης
Πηγές σφαλμάτων Σφάλματα που υπεισέρχονται κατά τον υπολογισμό των αρχικών συνθηκών μοντέλου Σφάλματα που προκύπτουν κατά την ολοκλήρωση του μοντέλου Εγγενείς περιορισμοί στην αριθμητική πρόγνωση καιρού
Σφάλματα κατά την αρχικοποίηση του μοντέλου Η ανεπαρκής χωρική κάλυψη και χρονική συχνότητα των διαθέσιμων μετρήσεων εξομαλύνει τις αρχικές συνθήκες των εξισώσεων του μοντέλου, με σημαντική την πιθανότητα κάποια από την χαμένη λεπτομέρεια να είναι κρίσιμη. Ελλείψεις στις μετρήσεις (π.χ. σφάλματα οργάνων και μετάδοσης μετρήσεων, ελλιπής έλεγχος ποιότητας δεδομένων, αδυναμία εντοπισμού κάποιου φαινομένου από το υπάρχον δίκτυο σταθμών) Η αριθμητική μέθοδος παρεμβολής των αρχικών δεδομένων στα σημεία πλέγματος του μοντέλου Απουσία μετρήσεων για ορισμένες απαραίτητες μεταβλητές (π.χ. εδαφική υγρασία και θερμοκρασία, συγκεντρώσεις υδρομετεώρων)
Σφάλματα στην ολοκλήρωση του μοντέλου Η ίδια η αριθμητική επίλυση σε Η/Υ με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών εισάγει επιπρόσθετα σφάλματα (σφάλματα αποκοπής). Σφάλματα στα πεδία που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των πλευρικών συνθηκών (όταν εφαρμόζεται μοντέλο περιορισμένης περιοχής) Σφάλματα λόγω των προσεγγίσεων που υιοθετούνται στα διάφορα σχήματα παραμετροποίησης των φυσικών διεργασιών Αν και τα μοντέλα εξελίσσονται συνεχώς, ακόμα δεν μπορούν να λάβουν υπόψη τους όλους τους παράγοντες που ρυθμίζουν τις ατμοσφαιρικές διαταραχές, ιδιαίτερα σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο
Περιορισμοί στην αριθμητική πρόγνωση καιρού Ακόμα και αν υπήρχε το τέλειο μοντέλο και το ιδανικό δίκτυο μετρήσεων, τα σφάλματα στην πρόγνωση θα αυξάνονταν μέσα στο χρόνο. Οι ατμοσφαιρικές διεργασίες είναι μη γραμμικές και οι ελάχιστες ακόμα διαφορές στις αρχικές συνθήκες του μοντέλου από τις πραγματικές μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλες αποκλίσεις μέσα στο χρόνο (αυτό άλλωστε αποτελεί και την έννοια του χάος για τη μετεωρολογία και τη βάση για το ensemble forecasting)
Το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ Ένα επιχειρησιακό σύστημα για την παροχή εξειδικευμένων μετρήσεων και προγνώσεων για τις περιβαλλοντικές συνθήκες των Ελληνικών Θαλασσών και της Μεσογείου
Το Δίκτυο Πλωτών Μετρητικών Σταθμών
Το Σύστημα Αριθμητικών Προγνώσεων Ατμοσφαιρικό μοντέλο
Δύο κύκλοι πρόγνωσης καιρού ΠΟΣΕΙΔΩΝ-ΙΙ GFS Analysis & Forecast 0.5 o x0.5 o Κύκλος GFS BC IC GFS Fields Background BC 5 km METARS + SYNOPS + RAOBS Local Analysis Prediction System Analysis Products Κύκλος LAPS IC 120 ώρες πρόγνωση καιρού
Το Σύστημα Αριθμητικών Προγνώσεων Μοντέλο εδάφους Μοντέλο κύκλου εδαφικής σκόνης Αφομοίωση δεδομένων (LAPS) Υδρολογικό μοντέλο Ατμοσφαιρικό μοντέλο Υδροδυναμικό μοντέλο Κυματικό μοντέλο Μοντέλο εξελ. πετρελαιοκηλ. Oικολογικό μοντέλο Αφομοίωση δεδομένων (SEEK filter) Αφομοίωση δεδομένων (Optimal Interpolation)
Το Σύστημα Πληροφόρησης http://www.poseidon.hcmr.gr
Προγνωστικά πεδία Πεδία επιφάνειας Θερμοκρασία αέρα στα 2 μ Ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου στα 10 μ Σχετική υγρασία στα 2 μ Ατμοσφαιρική πίεση στη μέση στάθμη της θάλασσας Βροχόπτωση Χιονόπτωση Ομίχλη Υγρή και ξηρή εναπόθεση εδαφικής σκόνης Φορτίο σκόνης Ροές μικρού και μεγάλου κύματος ακτινοβολίας Ροές ενέργειας (λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας) Πεδία ανώτερης ατμόσφαιρας Θερμοκρασία αέρα σε διάφορα ισοβαρικά επίπεδα Ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου σε διάφορα ισοβαρικά επίπεδα Ειδική υγρασία σε διάφορα ισοβαρικά επίπεδα Συγκέντρωση σωματιδίων εδαφικής σκόνης σε διάφορα επίπεδα Νέφωση
Παραδείγματα προγνωστικών χαρτών
Παραδείγματα προγνωστικών χαρτών
Παραδείγματα προγνωστικών χαρτών
Παραδείγματα προγνωστικών χαρτών
Τεχνικές αφομοίωσης δεδομένων ΗΕ BMJ Η τεχνική χρησιμοποιεί παρατηρήσεις εντοπισμού ηλεκτρικών εκκενώσεων για τον προσδιορισμό ζωνών έντονης κατακόρυφης σύγκλισης στην περιοχή ολοκλήρωσης του μοντέλου. Ανάλογα με την ένταση της ηλεκτρικής δραστηριότητας στην ατμόσφαιρα, οι εκτιμούμενες από το μοντέλο τιμές της καθ ύψος κατανομής της υγρασίας προσαρμόζονται προς εμπειρικές κατανομές που έχουν προκαθοριστεί ως αντιπροσωπευτικές για συνθήκες έντονης κατακόρυφης σύγκλισης. NO CONVECTION CONTINUE TO NEXT GRID POINT NO LIGHTNING CONVECTION IN PROGRESS BMJ COMPUTES CONVECTIVE CONDITIONS CHECK LIGHTNING ACTIVITY DATA DEEP CONVECTION IN PROGRESS ADJUST HUMIDITY PROFILE BMJ COMPUTES DEEP CONVECTION LIGHTNING SHALLOW CONVECTION IN PROGRESS NO ADJUST HUMIDITY PROFILE ADJUSTMENT MORE THAN 3 TIMES NO RECOMPUTE CLOUD DEPTH CLOUD DEPTH > 290 hpa YES BMJ COMPUTES SHALLOW CONVECTION YES NO YES NO CONVECTION ADJUST HUMIDITY PROFILE ADJUSTMENT MORE THAN 3 TIMES NO RECOMPUTE LCL TO GET CLOUD BASE RECOMPUTE EL TO GET CLOUD TOP RECOMPUTE CLOUD DEPTH CLOUD DEPTH > 290 hpa YES 10 hpa < CLOUD DEPTH < 290 hpa NO NO CONVECTION YES
Βελτίωση στην πρόγνωση έντονων καταιγίδων
Δεδομένα για υδρολογική χρήση Βροχόπτωση Χιονόπτωση, χιονοκάλυψη, πάχος χιονιού Θερμοκρασία αέρα κοντά στην επιφάνεια (2 μέτρα) Ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου κοντά στην επιφάνεια (10 μέτρα) Σχετική υγρασία κοντά στην επιφάνεια (2 μέτρα) Ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του εδάφους Ατμοσφαιρική πίεση ανηγμένη στη μέση στάθμη της θάλασσας Ροές μικρού και μεγάλου κύματος ακτινοβολίας (ή νέφωση) Ροές ενέργειας (λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας) Επιφανειακή απορροή Κατανομή της εδαφικής υγρασίας
Σύζευξη ατμοσφαιρικού-υδρολογικού μοντέλου Rainfall Data (radar or model) Distributed Hydrologic Model (tribs) Other Meteorological Variables (model) Fella Simulated Hydrological Variables (e.g. runoff, soil moisture) in space and time
Ευαισθησία στο πεδίο βροχής
Σύζευξη ατμοσφαιρικού μοντέλου - GIS
Αποτελέσματα ατμοσφαιρικού μοντέλου ΩΡΙΑΙΟ ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ (mm) 35 30 25 20 15 10 5 0 ΒΕΛΟ ΚΟΡΙΝΘΙΑΣ 16671 176,8 mm 121,5 mm 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 11/1/1997 12/1/1997
Υδρολογική ανάλυση Flow Direction Flow Accumulation Flow Length/Time
Αντί συμπερασμάτων.