9 O COMECAP 2008, ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΝΕΔΡΙΟΥ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 9 O COMECAP 2008, PROCEEDINGS, THESSALONIKI, GREECE ΕΝΑ ΕΝΤΟΝΟ ΕΠΕΙΣΟΔΙΟ ΕΙΣΒΟΛΗΣ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΕΡΑ ΕΩΣ ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΑΘΗΝΑΣ Δ. ΑΚΡΙΤΙΔΗΣ 1, Π. ΖΑΝΗΣ 1, Ι. ΠΥΘΑΡΟΥΛΗΣ 1, Α. ΜΑΥΡΑΚΗΣ 2 ΚΑΙ Θ. ΚΑΡΑΚΩΣΤΑΣ 1 1 Τομέας Μετεωρολογίας Κλιματολογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης 2 Ινστιτούτο Αστικού Περιβάλλοντος & Ανθρώπινου Δυναμικού, Τμήμα Οικονομικής & Περιφερειακής Ανάπτυξης, Πάντειο Πανεπιστήμιο ΠΕΡΙΛΗΨΗ Μελετάται ένα έντονο επεισόδιο μεταφοράς στρατοσφαιρικού αέρα έως την επιφάνεια του εδάφους στην Αθήνα στις 9 Οκτωβρίου 2003, όπου και παρατηρήθηκε ξαφνική αύξηση των συγκεντρώσεων του επιφανειακού όζοντος κατά τη διάρκεια της νύχτας, που δεν είναι δυνατόν να ερμηνευτούν από τις φωτοχημικές διαδικασίες παραγωγής του. Η μελέτη των πεδίων των γεωδυναμικών υψών σε διάφορες ισοβαρικές επιφάνειες δείχνει την παρουσία ενός ισχυρού αυλώνα πάνω από τον Ελλαδικό χώρο, που είναι τυπική συνοπτική κατάσταση σχετιζόμενη άμεσα με επεισόδια αναδίπλωσης της τροπόπαυσης στη δυτική πλευρά του αεροχειμάρρου. Η εξέταση των κατακόρυφων τομών των πεδίων της ειδικής και σχετικής υγρασίας που αποτελούν ιχνηθέτες των στρατοσφαιρικών εισβολών, επιβεβαιώνουν τη μεταφορά ξηρού στρατοσφαιρικού αέρα μέχρι και την επιφάνεια του εδάφους. Η ανάλυση των πεδίων του δυνητικού στροβιλισμού, που επίσης αποτελεί έναν άλλο ιχνηθέτη στρατοσφαιρικών αέριων μαζών, σε διάφορες ισοβαρικές και ισεντροπικές επιφάνειες, καθώς και κατακόρυφες τομές απεικονίζει την αναδίπλωση της τροπόπαυσης και την δυναμική εξέλιξη του επεισοδίου. Τέλος υπολογίζονται τρισδιάστατες οπισθοτροχιές με σκοπό τη μελέτη του επεισοδίου μεταφοράς όζοντος από την στρατόσφαιρα στην επιφάνεια του εδάφους χρησιμοποιώντας το Λανγκραντζιανό μοντέλο διασποράς σωματιδίων FLEXPART. AN INTENSE STRATOSPHERIC INTRUSION EVENT DOWN TO THE GROUND SURFACE IN THE ATHENS AREA D. AKRITIDIS 1, P. ZANIS 1, I. PYTHAROULIS 1, A. MAVRAKIS 2 AND TH. KARACOSTAS 1 1 Department of Meteorology and Climatology, Aristotle University of Thessaloniki 2 Institute of Urban Environment and Human Resources, Department of Economic & Regional Development, Panteion University ABSTRACT The present study investigates an intense stratospheric intrusion event down to the earth s surface in the Athens area on 9 October 2003, when an abrupt increase in ozone concentrations was observed during nighttime that cannot be explained by photochemical production mechanisms. The study of the geopotential height fields at various isobaric levels indicates an intense trough extending over Greece, which is a typical synoptic situation related to tropopause folding events at the western flag of the jetstream. The inspection of relative and specific humidity vertical cross-sections, which are commonly used tracers for stratospheric intrusions, confirms the transport of dry, with stratospheric origin, air down to the ground surface. Furthermore the analysis of potential vorticity fields, which is another tracer of stratospheric air, at several isobaric and isentropic levels as well as at vertical cross-sections illustrates clearly the tropopause fold and the dynamical evolution of the event. Finally, three dimensional back trajectories are used to attend the volume fraction of surface air that has been transported from the stratosphere using the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART. 3
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένας από τους κύριους μηχανισμούς ανταλλαγής μαζών ανάμεσα σε στρατόσφαιρα και τροπόσφαιρα είναι οι αναδιπλώσεις της τροπόπαυσης (tropopause fold) που οφείλονται σε αγεωστροφική ροή στην είσοδο του αεροχειμάρου και με τις οποίες συνδέονται οι στρατοσφαιρικές διεισδύσεις προς την τροπόσφαιρα (stratospheric intrusions) διαμέσου ισεντροπικής μεταφοράς μέσα στις μεγάλης κλίμακας κυκλωνικές και αντικυκλωνικές διαταραχές (Danielsen and Mohnen, 1977). Το φαινόμενο παρατηρείται κυρίως στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη και η συχνότητά του παρουσιάζει μέγιστα εμφάνισης κατά την διάρκεια του χειμώνα και της άνοιξης (Appenzeller et al., 1996). Το βάθος των στρατοσφαιρικών διεισδύσεων συχνά φτάνει την μέση τροπόσφαιρα (4-5 km), ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να φτάσει και μέχρι την επιφάνεια του εδάφους (Zanis et al., 2003). Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αέρα που εισέρχεται από την στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα, είναι οι μεγάλες συγκεντρώσεις όζοντος, οι υψηλές τιμές δυνητικού στροβιλισμού (PV>2), η χαμηλή περιεκτικότητα σε υδρατμούς και η μεγάλη ευστάθεια που γενικότερα χαρακτηρίζει την στρατόσφαιρα (Stohl et al., 2000). Τα παραπάνω αποτελούν τους κυριότερους ιχνηθέτες των στρατοσφαιρικών διεισδύσεων, και η μελέτη τους αποτελεί το περιεχόμενο της συγκεκριμένης εργασίας κατά την διάρκεια ενός έντονου επεισοδίου μεταφοράς στρατοσφαιρικού αέρα μέχρι την επιφάνεια του εδάφους στην Αθήνα στις 9 Οκτωβρίου 2003. 2. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη εργασία είναι επιφανειακές συγκεντρώσεις όζοντος της ευρύτερης περιοχής της Αθήνας, καθώς και δεδομένα του επιχειρησιακού μοντέλου πρόγνωσης του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (ECMWF). Κατασκευάστηκαν τα πεδία της σχετικής και ειδικής υγρασίας σε κατακόρυφες τομές, καθώς επίσης και τα πεδία του δυνητικού στροβιλισμού σε ισοβαρικές και ισεντροπικές στάθμες για τη συνοπτική και δυναμική μελέτη του φαινομένου. Τέλος χρησιμοποιήθηκε το Λανγκραντζιανό μοντέλο διασποράς σωματιδίων Flexpart (Stohl et al., 1998), με σκοπό να προσδιοριστούν οι πηγές του επιφανειακού όζοντος και να γίνει ποσοτική μελέτη του φαινομένου της μεταφοράς στρατοσφαιρικού αέρα προς την τροπόσφαιρα. Το FLEXPART μεταχειρίζεται τη μεταφορά και την τυρβώδη διασπορά με τον υπολογισμό των τροχιών ενός πλήθους σωματιδίων (Stohl et al., 1998). Τα δεδομένα των επιφανειακών συγκεντρώσεων όζοντος προέρχονται από τέσσερις σταθμούς μέτρησης στην περιοχή της Αθήνας (δημοτικό πάρκινγκ Ελευσίνας, Μάνδρα, Μαγούλα, Παραλία Ασπροπύργου). Τα δεδομένα του ECMWF που χρησιμοποιήθηκαν είναι γεωδυναμικά ύψη, ειδική και σχετική υγρασία, θερμοκρασία, ταχύτητες ανέμου, δυνητικός στροβιλισμός σε ισοβαρικά και ισεντροπικά επίπεδα, με χωρική ανάλυση 0.5 x0.5 και χρονική ανάλυση 6 ώρες. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αφορμή για την μελέτη του συγκεκριμένου επεισοδίου αποτέλεσαν οι μεγάλες επιφανειακές συγκεντρώσεις όζοντος στην περιοχή της Αθήνας κατά τις πρώτες πρωινές ώρες στις 9 Οκτωβρίου 2003, οι οποίες δεν μπορούσαν να ερμηνευτούν από 4
την τοπική φωτοχημική παραγωγή του (Σχήμα 1). Η συνοπτική κατάσταση εκείνη την ημέρα, χαρακτηρίζεται από έναν ισχυρό αυλώνα που εκτείνεται πάνω από την νοτιοανατολική Ευρώπη (Σχήμα 2α). Στην δυτική πλευρά του αυλώνα εντοπίζεται ο αεροχείμαρος, η είσοδος του οποίου τοποθετείται στην κατεύθυνση της αντίστοιχης έξαρσης, συνοπτική κατάσταση που ευνοεί επεισόδια αναδίπλωσης της τροπόπαυσης (Σχήμα 2β). 9 Οκτωβρίου 2003 Συγκεντρώσεις Όζοντος [μg/m3] 120 100 80 60 40 20 Ελευσίνα Μάνδρα Οκτώβριος 2003 Μαγούλα Παρ. Ασπροπύργου 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Ώρα (UTC+3) ΣΧΗΜΑ 1. Επιφανειακές συγκεντρώσεις όζοντος σε διάφορες περιοχές της Αθήνας κατά τη διάρκεια της 9 Οκτωβρίου 2003. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η επιφάνεια δυνητικού στροβιλισμού PV=2 PVU (1 PVU= 10-6 m 2 K s -1 kg -1 ) που αντιστοιχεί στην τροπόπαυση (Hoskins and Berrisford 1988), και φαίνεται ξεκάθαρα η καθίζηση της τελευταίας σε χαμηλότερα ύψη, σε μια περιοχή δυτικά της Ελλάδας και κατά μήκος του αεροχειμάρου. ΣΧΗΜΑ 2. Χάρτης ισοϋψών (gpm) στο επίπεδο των 500 hpa Ισοϋψείς (gpm) και ταχύτητα του ανέμου (m/s) στο ισοβαρικό επίπεδο των 300 hpa. 5
Η κατακόρυφη τομή του πεδίου του δυνητικού στροβιλισμού (πίεση-γεωγραφικό μήκος) με τη δυνητική θερμοκρασία φανερώνει ξεκάθαρα την αναδίπλωση της τροπόπαυσης και τη μεταφορά αέρα στρατοσφαιρικής προέλευσης με τιμές δυνητικού στροβιλισμού μεγαλύτερες από 2 PVU μέχρι και την στάθμη των 500 hpa (Σχήμα 4α), με τον άξονα του αεροχειμάρου να εντοπίζεται στην περιοχή της αναδίπλωσης (σχήμα 4β) επιβεβαιώνοντας όσα προβλέπει η θεωρία για το φαινόμενο. ΣΧΗΜΑ 3. Επιφάνεια δυνητικού στροβιλισμού PV=2 που αναπαριστά την τροπόπαυση στις 00:00 UTC, 9 Οκτωβρίου 2003. H δυναμική εξέλιξη του φαινομένου, υποδεικνύει μια έξαρση δυνητικού στροβιλισμού με τιμές PV>2 PVU στην ισεντροπική επιφάνεια των 315 Κ, η οποία κινούμενη νοτιοανατολικά, στις 9 Οκτωβρίου 00Ζ βρίσκεται πάνω από την Ελλάδα και στη συνέχεια στρέφεται κυκλωνικά, με ένα τμήμα της να αποκόπτεται δημιουργώντας ένα αποκομμένο χαμηλό (Σχήμα 5). Χαρακτηριστική είναι η μορφή «αγκιστριού» υψηλών τιμών PV που επεκτείνεται προς τα νοτιανατολικά και στρέφεται κυκλωνικά. ΣΧΗΜΑ 4. Κατακόρυφες τομές του δυνητικού στροβιλισμού (PVU) και δυνητικής θερμοκρασίας (K) και δυνητικού στροβιλισμού (PVU) και ταχύτητας του ανέμου (m/s) στις 37,5 ο Ν στις 00Ζ 9 Οκτωβρίου 2003. 6
ΣΧΗΜΑ 5. Δυνητικός στροβιλισμός (PVU) στην ισεντροπική επιφάνεια των 315 Κ α) Στις 00Ζ 9-10-2003 β) Στις 06Ζ 9-10-2003. Η παραπάνω συνοπτική εικόνα (Σχήμα 5) επιβεβαιώνεται και από δορυφορικές φωτογραφίες στο κανάλι των υδρατμών στις οποίες είναι εμφανής μια ξηρή αέρια μάζα στις 2100 UTC, 8 Οκτωβρίου, βορειοδυτικά της Ελλάδας, η οποία στην συνέχεια στρέφεται κυκλωνικά και 9 ώρες αργότερα εντοπίζεται βορειοανατολικά της (Σχήμα 6). ΣΧΗΜΑ 6. Δορυφορικές φωτογραφίες στο κανάλι των υδρατμών (METEOSAT-7) Στις 2100 UTC 8 Οκτωβρίου 2003 Στις 0600 UTC 9 Οκτωβρίου 2003. ΣΧΗΜΑ 7. Κατακόρυφη τομή του πεδίου της σχετικής υγρασίας (ύψος-γεωγραφικό πλάτος για γεωγραφικό μήκος 23.5 ο Ε) α) Στις 00Ζ 9-10-2003 β) Στις 06Ζ 9-10-2003. 7
Η μελέτη των πεδίων της σχετικής και ειδικής υγρασίας συνηγορεί στην εισβολή ξηρού αέρα από την στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα, ο οποίος φαίνεται να φτάνει μέχρι και την επιφάνεια του εδάφους, με τιμές σχετικής υγρασίας μικρότερες από 40% (Σχήμα 7). Επίσης αξιοσημείωτη είναι η μείωση της ειδικής υγρασίας στην επιφάνεια του εδάφους στις 9 Οκτωβρίου 2003 (Σχήμα 8). ΣΧΗΜΑ 8. Διάγραμμα ειδικής υγρασίας χρόνου-πίεσης στην περιοχή της Αθήνας για το διάστημα 5-13 Οκτωβρίου 2003. Τέλος μέσω του μοντέλου διασποράς σωματιδίων FLEXPART, υπολογίστηκαν οι θέσεις σωματιδίων όζοντος ανάμεσα στα 8000m-50000m (Σχήμα 9), με σκοπό να βρεθεί η προέλευση και η τροχιά των σωματιδίων του στρατοσφαιρκού όζοντος που κατέληξαν στις 9 Οκτωβρίου 2003 στην επιφάνεια του εδάφους. Πιο συγκεκριμένα αφέθησαν 20000 σωματίδια όζοντος μεταξύ 0-1000m στην περιοχή της Αθήνας και πραγματοποιήθηκε οπισθοδρομική χρονικά προσομοίωση, με σκοπό να εντοπιστούν οι πηγές και η πορεία των σωματιδίων στην στρατόσφαιρα. 8
(γ) (δ) ΣΧΗΜΑ 9. Θέσεις σωματιδίων όζοντος ανάμεσα στα 8000-50000 m όπως υπολογίστηκαν από το μοντέλο διασποράς σωματιδίων FLEXPART. α) Στις 23:00 UTC, 4 Οκτωβρίου 2003 (5 ημέρες πριν), β) στις 23:00 UTC, 5 Οκτωβρίου 2003 (4 ημέρες πριν), γ) στις 23:00 UTC, 6 Οκτωβρίου 2003 (3 ημέρες πριν) και δ) στις 23:00 UTC, 7 Οκτωβρίου 2003 (2 ημέρες πριν). 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Πραγματοποιήθηκε μελέτη της συνοπτικής και δυναμικής κατάστασης για τις 9 Οκτωβρίου 2003, με σκοπό να διερευνηθεί μια πιθανή εισβολή στρατοσφαιρικού αέρα στην περιοχή της Αθήνας. Η συνοπτική εικόνα ταιριάζει απόλυτα με αυτήν που προβλέπει η θεωρία, ενώ παράλληλα μέσω της μελέτης του δυνητικού στροβιλισμού στην ισεντροπική επιφάνεια των 315 Κ, έγινε αναπαράσταση της δυναμικής εξέλιξης του φαινομένου. Επίσης κατασκευάστηκαν κατακόρυφες τομές του δυνητικού στροβιλισμού, μέσω των οποίων εντοπίστηκε η αναδίπλωση της τροπόπαυσης και το ύψος καθίζησής της. Οι δορυφορικές φωτογραφίες στο κανάλι των υδρατμών, όπως και 9
η μελέτη της σχετικής και ειδικής υγρασίας σε διάφορες κατακόρυφες τομές, επιβεβαιώνουν την εισβολή ξηρού αέρα στην περιοχή της Αθήνας εκείνες τις μέρες. Τέλος οι θέσεις των σωματιδίων του όζοντος στην στρατόσφαιρα τις προηγούμενες ημέρες, όπως αυτές υπολογίστηκαν από το μοντέλο διασποράς σωματιδίων FLEXPART, υποδεικνύουν τις πηγές, καθώς επίσης και την πορεία, του στρατοσφαιρικού όζοντος που κατέληξε στην επιφάνεια της Αθήνας στις 9 Οκτωβρίου 2003. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Appenzeller C, Holton JR and Rosenlof KH, 1996: Seasonal variation of mass transport across the tropopause. Journal of Geophysical Research, 101 (D10), 15,071-15,078. Danielsen EF and Mohnen V, 1977: Ozone transport, in-situ measurements, and meteorological analysis of tropopause folding. Journal of Geophysical Research, 82, 5,867-5,877. Hoskins BJ and Berrisford P, 1988: A potential vorticity perspective of the storm of 15-16 October 1987. Weather, 43, 122-129. Stohl A, Hittenberger M and Wotawa G, 1998: Validation of the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART against large scale tracer experiment data. Atmospheric Environment, 32, 4245-4264. Stohl A, Spichtinger-Rakowsky N, Bonasoni P, Feldmann H, Memmesheimer M, Scheel H E, Trickl T, Hubener S, Ringer W and Mandl M, 2000: The influence of stratospheric intrusions on alpine ozone concentrations. Atmospheric Environment, 34(9), 1323-1354. Zanis P, Trickl T, Stohl A, Wernli H, Cooper O, Zerefos C, Gaeggeler H, Schnabel C, Tobler L, Kubik P, Priller A, Scheel HE, Kanter HJ, Cristofanelli P, Forster C, James P, Gerasopoulos E, Delcloo A, Papayannis A and Claude H: Forecast, observation and modelling of a deep stratospheric intrusion event over Europe. Atmospheric Chemistry and Physics, 3, 763-777, 2003. 10