ΣΧΕΣΕΙΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΕΡΑ ΣΤΟ ΒΟΡΕΙΟ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟ ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΘΕΡΙΝΟΥΣ ΜΗΝΕΣ. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΥΝΑΤΟΤΗΤΑΣ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ Χρήστος. Παπαδήµας και Αριστείδης Μπαρτζώκας Εργαστήριο Μετεωρολογίας, Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων Περίληψη Αναζητούνται σχέσεις µεταξύ ατµοσφαιρικής πίεσης και θερµοκρασίας αέρα, κατά τη διάρκεια του θέρους, στο βόρειο ηµισφαίριο και γίνεται προσπάθεια πρόγνωσης της µιας παραµέτρου από την άλλη, σε µηνιαία βάση. Χρησιµοποιούνται µέσες µηνιαίες τιµές πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας και θερµοκρασίας στη στάθµη των 1000hPa σε 563 σηµεία πλέγµατος στο βόρειο ηµισφαίριο για τους µήνες Ιούλιο, Αύγουστο και Σεπτέµβριο, της περιόδου 1949-2002. Με τη χρήση της µεθόδου Factor Analysis, για κάθε µήνα και για κάθε παράµετρο, κατ αρχήν, µειώνεται η διαστατικότητα των πινάκων των δεδοµένων. Στη συνέχεια, εφαρµόζεται η µέθοδος Canonical Correlation Analysis στις χρονοσειρές των factor scores για 5 ζεύγη πίεσης-θερµοκρασίας: P(J)-T(J), P(J)-T(A), P(J)-T(S), T(J)-P(A), T(J)-P(S) µε σκοπό την αποκάλυψη πιθανής σχέσης των δύο παραµέτρων µε χρονική υστέρηση ενός ή/και δύο µηνών. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι τα στατιστικώς σηµαντικά (99%) ζεύγη κανονικών µεταβλητών W i -V i κυµαίνονται από 2 έως 14 µε κανονικούς συντελεστές συσχέτισης άνω του 0.90. Για κάθε ανάλυση, γίνεται συσχέτιση κάθε χρονοσειράς W i µε τις χρονοσειρές των αρχικών δεδοµένων της «προβλέπουσας» παραµέτρου και κάθε χρονοσειράς V i µε τις αντίστοιχες της «προβλεπόµενης». Έτσι, εντοπίζονται οι περιοχές για τις οποίες υπάρχει δυνατότητα πρόβλεψης, για ένα ή/και δύο µήνες, της µιας παραµέτρου από την άλλη. Οι περιοχές οι οποίες παρουσιάζουν τους υψηλότερους συντελεστές είναι αυτές του βόρειου Ινδικού ωκεανού για τη θερµοκρασία του αέρα και της Μογγολίας για την ατµοσφαιρική πίεση. Βρέθηκε ότι το καθεστώς της πίεσης στη Μογγολία τον Ιούλιο συσχετίζεται υψηλά µε το καθεστώς της θερµοκρασίας στο βόρειο Ινδικό τόσο τον Αύγουστο όσο και το Σεπτέµβριο. Επίσης, η θερµοκρασία του αέρα στον Ινδικό τον Ιούλιο συσχετίζεται πολύ ισχυρά µε την πίεση στη Μογγολία τον Αύγουστο. ATMOSPHERIC PRESSURE AIR TEMPERATURE RELATIONSHIPS OVER THE NORTHERN HEMISPHERE DURING SUMMER MONTHS. INVESTIGATION OF A POSSIBILITY OF FORECAST. Christos D. Papadimas and Aristides Bartzokas Laboratory of Meteorology, Department of Physics, University of Ioannina, Greece Abstract In this work, relationships between atmospheric pressure and air temperature in summer are searched over the northern hemisphere and furthermore it is attempted to forecast one parameter from the other, on a monthly basis. Mean monthly sea level pressure and 1000hPa air temperature values at 563 grid points over the northern hemisphere are utilized for the months July, August and September of the period 1949-2002. Using Factor Analysis for every month and for every parameter, the dimensionality of the data matrices is, at first, reduced. Then, Canonical Correlation Analysis is applied on the factor scores time series for 5 pressuretemperature couples: P(J)-T(J), P(J)-T(A), P(J)-T(S), T(J)-P(A), T(J)-P(S), in order to reveal possible connection between the two parameters with a time lag of one and/or two months. The results show that the statistically significant (99%) couples of canonical variates, W i -V i, are from 2 to 14 with correlation coefficients above 0.90. For every analysis, each W i time series is correlated with all the time series of the initial data of the predictor parameter and each V i time series with the corresponding time series of the predictant one. Thus, areas for which there is a monthly or/and bi-monthly forecasting possibility of one parameter from the other are detected. The areas, which present the highest correlation coefficients, are those of the northern Indian Ocean for air temperature and for Mongolia for atmospheric pressure. It was found that the pressure regime in Mongolia, during July, is highly correlated with the regime of temperature in the northern Indian Ocean in August and in September. Also, air temperature in the Indian Ocean, during July, is very highly correlated with atmospheric pressure in Mongolia during August. 1
Λέξεις κλειδιά: ατµοσφαιρική πίεση, θερµοκρασία αέρα, βόρειο ηµισφαίριο, θέρος, τηλεσυνδέσεις, πρόγνωση µακράς διάρκειας, canonical correlation analysis Key words: atmospheric pressure, air temperature, northern hemisphere, summer, teleconnections, long range forecast, canonical correlation analysis 1. Εισαγωγή Μια από τις πιο ελπιδοφόρες εξελίξεις στην προσπάθεια για µακράς διάρκειας πρόγνωση καιρού και κλίµατος είναι ο προσδιορισµός και η χρήση των τηλεσυνδέσεων (teleconnections) στα µοντέλα πρόγνωσης. Με τον όρο τηλεσύνδεση, στη µετεωρολογία εννοούµε την συµµεταβλητότητα ή συνδιακύµανση (αρνητική ή θετική) των τιµών µιας ή περισσοτέρων µετεωρολογικών παραµέτρων σε διαφορετικές περιοχές του πλανήτη. Συνήθως, µε τον όρο τηλεσύνδεση, αναφερόµαστε στην χαµηλής συχνότητας µεταβλητότητα, διάρκειας εβδοµάδας, µήνα ή ακόµα και έτους, που συνδέεται µε την γενική κυκλοφορία πλανητικής κλίµακας. Οι τηλεσυνδέσεις είναι φυσικές διεργασίες του σχεδόν χαοτικού ατµοσφαιρικού συστήµατος και γενικά θεωρείται ότι προκύπτουν ως αποτέλεσµα της εσωτερικής δυναµικής της ατµόσφαιρας (Glantz et al., 1991). Οι µεταβολές της θερµοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας και η γενική κυκλοφορία των ωκεάνιων ρευµάτων, παίζουν ζωτικής σηµασίας ρόλο στην δηµιουργία και την εµµονή των τηλεσυνδέσεων. Σηµαντικό ρόλο επίσης στην δηµιουργία και την εµµονή που παρουσιάζουν οι τηλεσυνδέσεις, εκτός από την αλληλεπίδραση ωκεανού-ατµόσφαιρας, παίζει και η αλληλεπίδραση των µεγάλων ηπειρωτικών εκτάσεων µε την ατµόσφαιρα. Οι µεγάλες ποσότητες πάγου ή υγρασίας πάνω από ηπειρωτικές εκτάσεις δηµιουργούν την δυναµική εκείνη για την ανάπτυξη τηλεσυνδέσεων. Η σηµασία των τηλεσυνδέσεων έγινε ευρέως αποδεκτή στις αρχές της δεκαετίας του 1970 µετά τις εκτεταµένες έρευνες για το γνωστό φαινόµενο El Niño ή σωστότερα El Niño Southern Oscillation (ENSO), που αποτελεί ένα από τα ποιο γνωστά και µελετηµένα φαινόµενα τηλεσύνδεσης. Οι τηλεσυνδέσεις είναι δυνατόν να αναφέρονται και σε διαφορετικές χρονικές περιόδους, πράγµα το οποίο µπορεί να θεωρηθεί ως ένα σηµαντικό εργαλείο για την επίτευξη πρόγνωσης µακράς διάρκειας (Goddard et al., 2001, Μεταξάς et al., 2002). Είναι σηµαντικό να τονίσουµε ότι η χρήση των τηλεσυνδέσεων στις µακράς διάρκειας προγνώσεις δεν βοηθά στη δηµιουργία καιρικών προγνώσεων αλλά προγνώσεων κλίµατος. ηλαδή, οι τηλεσυνδέσεις διευκολύνουν την πρόβλεψη των µέσων µηνιαίων και εποχικών καιρικών συνθηκών και όχι την πρόβλεψη µικρής διάρκειας καιρικών γεγονότων. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η αναζήτηση σχέσεων θερµοκρασίας του αέρα και ατµοσφαιρικής πίεσης στο βόρειο ηµισφαίριο κατά τους θερινούς µήνες, µε τη χρήση πολυµεταβλητών στατιστικών µεθόδων. Επειδή το καθεστώς της πίεσης σε µια περιοχή συνήθως διαµορφώνει και τη θερµοκρασία στην ίδια ή/και σε κάποια άλλη περιοχή αλλά και επειδή το θερµοκρασιακό καθεστώς ενός τόπου είναι συχνά υπεύθυνο για το χτίσιµο συστηµάτων πίεσης, είναι πιθανόν σε κάποιες περιπτώσεις να υπάρχει η δυνατότητα κλιµατικής πρόγνωσης της µιας παραµέτρου από την άλλη. Στην εργασία αυτή αναζητούνται περιοχές στο βόρειο ηµισφαίριο στις οποίες µια τέτοια πρόγνωση είναι σε κάποιο βαθµό δυνατή. 2. εδοµένα και µεθοδολογία Τα δεδοµένα που χρησιµοποιούνται στην παρούσα εργασία είναι µέσες µηνιαίες τιµές πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας και θερµοκρασίας στη στάθµη των 1000hPa σε 563 σηµεία πλέγµατος (5 Ο γ.πλ. x 10 Ο γ.µ.) σε ολόκληρο το βόρειο ηµισφαίριο για τους µήνες Ιούλιο, Αύγουστο και Σεπτέµβριο και για την περίοδο 1949-2002 (NCEP-NCAR). Σε πρώτη φάση εφαρµόστηκε Factor Analysis (FA) σε καθέναν από τους 6 πίνακες δεδοµένων (54 έτη x 563 σηµεία πλέγµατος) µε σκοπό τη µείωση της διαστατικότητάς τους. Οι 563 χρονοσειρές οµαδοποιήθηκαν µε βάση τη συµµεταβλητότητά τους ώστε να είναι δυνατή η περιγραφή της µεταβολής της θερµοκρασίας και της πίεσης από m παράγοντες (m<563), κάθε ένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε µία ευρύτερη γεωγραφική περιοχή. Ως κριτήριο για τη µείωση των µεταβλητών χρησιµοποιήθηκε το όριο 85% της ολικής διακύµανσης (Jolliffe, 1986). Έτσι, οι 563 αρχικές χρονοσειρές κάθε πίνακα µειώθηκαν σε 17-18 για την πίεση και σε 25-27 για τη θερµοκρασία. Τα αποτελέσµατα δεν παρουσιάζονται αφού στην παρούσα εργασία η FA χρησιµοποιείται ως ένα ενδιάµεσο εργαλείο. Στη συνέχεια, εφαρµόστηκε η Canonical Correlation Analysis (CCA) στα αποτελέσµατα της FΑ, δηλαδή στις χρονοσειρές των factor scores, για τα 5 ζεύγη πίεσης και θερµοκρασίας: P(J)-T(J), P(J)-T(A), P(J)-T(S), T(J)-P(A), T(J)-P(S). Για κάθε ένα από τα παραπάνω ζεύγη, η ανάλυση έδωσε έναν αριθµό ζευγών κανονικών µεταβλητών, W i -V i, ανεξάρτητων µεταξύ τους και στατιστικά σηµαντικών σε επίπεδο εµπιστοσύνης 99%. Οι συντελεστές συσχέτισης µεταξύ των κανονικών µεταβλητών βρέθηκαν υψηλότεροι του 0.90 σε όλες τις περιπτώσεις (οι χρονοσειρές W i και V i δεν παρουσιάζονται αναλυτικά). 2
Τέλος, αναζητήθηκε η σχέση εκάστου ζεύγους κανονικών µεταβλητών, W i -V i, µε τα αντίστοιχα πραγµατικά δεδοµένα και για το σκοπό αυτό, για κάθε ανάλυση, έγινε συσχέτιση της χρονοσειράς W i µε τις 563 χρονοσειρές των αρχικών δεδοµένων της "προβλέπουσας" παραµέτρου καθώς και της χρονοσειράς V i µε τις αντίστοιχες χρονοσειρές της "προβλεπόµενης" παραµέτρου. Οι συντελεστές συσχέτισης, εφόσον ήταν στατιστικά σηµαντικοί σε επίπεδο 95%, δηλαδή r > 0.30, τοποθετήθηκαν σε χάρτες και στη συνέχεια, χαράχθηκαν οι ισοπληθείς καµπύλες και εντοπίστηκαν οι περιοχές µε τους πυρήνες µεγίστων συσχετίσεων. Επειδή τα W i και V i παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση µεταξύ τους, έπεται ότι και οι παράµετροι των δύο αντίστοιχων πυρήνων θα συσχετίζονται επίσης υψηλά µεταξύ τους. Έτσι, εντοπίζονται περιοχές για τις οποίες υπάρχει δυνατότητα πρόβλεψης, ενός ή/και δύο µηνών, της µίας παραµέτρου από την άλλη. 3. Αποτελέσµατα 3.1 Σχέση ατµοσφαιρικής πίεσης και θερµοκρασίας αέρα για το µήνα Ιούλιο, P(J)-T(J) Η εφαρµογή της CCA στις χρονοσειρές των παραγόντων (factors) των πεδίων ατµοσφαιρικής πίεσης και θερµοκρασίας αέρα για το µήνα Ιούλιο, P(J)-T(J), απεκάλυψε 14 στατιστικά σηµαντικά ζεύγη κανονικών µεταβλητών (επίπεδο εµπιστοσύνης 99%). Από αυτά, ενδιαφέρον παρουσιάζουν το 1 ο, το 4 ο και το 7 ο, για τα οποία οι συντελεστές συσχέτισης των W i και V i µε τις αντίστοιχες πραγµατικές χρονοσειρές της ατµοσφαιρικής πίεσης και της θερµοκρασίας του αέρα βρέθηκαν σε εκτεταµένες περιοχές άνω του 0.60 και σε κάποιες περιπτώσεις υπερβαίνουν το 0.70. Το 1 ο ζεύγος κανονικών µεταβλητών (W 1 -V 1 ) ερµηνεύει το 8% της κοινής διακύµανσης των δύο πεδίων, το 5% της διακύµανσης της ατµοσφαιρικής πίεσης και το 4% της διακύµανσης της θερµοκρασίας του αέρα. Ο συντελεστής κανονικής συσχέτισης µεταξύ των συναρτήσεων W 1 και V 1 είναι r 1 =0.99. Στο σχήµα 1α (συσχέτιση W 1 πίεσης) αποκαλύπτονται βασικά κέντρα δράσης της ατµοσφαιρικής κυκλοφορίας στο βόρειο ηµισφαίριο, όπως είναι το χαµηλό των Αλεουτίων νήσων, το Ισλανδικό χαµηλό, ο αντικυκλώνας των Αζορών κλπ. Τα κέντρα αυτά ασκούν µεγάλη επίδραση στην διαµόρφωση του κλίµατος σε εκτεταµένες περιοχές γύρω τους, λόγω της µεταφοράς σε αυτές θερµών ή ψυχρών αερίων µαζών. Παρατηρώντας τον χάρτη, διαπιστώνουµε ότι η θέση του χαµηλού των Αλεουτίων νήσων είναι βορειότερα από την θέση που έχει τους χειµερινούς µήνες. Η µετατόπιση του αυτή προς τα βόρεια κατά το θέρος, συµφωνεί και µε την περιγραφή του όπως δίνεται από την Αµερικάνικη Μετεωρολογική Εταιρεία (AMS). ιαπιστώνεται ακόµα, ότι και το Ισλανδικό χαµηλό δεν έχει την θέση που κατέχει τους χειµερινούς µήνες αφού το καλοκαίρι τείνει να χωριστεί σε δύο κέντρα, ένα στις βορειοανατολικές ακτές του Καναδά και ένα δυτικά της Ισλανδίας (ΑMS). Σχήµα 1α. P(J)-T(J): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ W 1 και ατµοσφαιρικής πίεσης. Σχήµα 1β. P(J)-T(J): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ V 1 και θερµοκρασίας αέρα. 3
Τα παραπάνω συστήµατα βρέθηκε να συνδέονται µε το καθεστώς της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένες περιοχές του βορείου ηµισφαιρίου (σχήµα 1β). Ο συνδυασµός του αντικυκλώνα των Αζορών και του µετατοπισµένου Ισλανδικού χαµηλού διαµορφώνει τη θερµοκρασία του αέρα σε µορφή τηλεσύνδεσης τραµπάλας (see-saw) στην περιοχή του κεντρικού Ατλαντικού και της βορειοδυτικής Αφρικής ενώ το µετατοπισµένο χαµηλό των Αλεουτίων νήσων διαµορφώνει τη θερµοκρασία του αέρα στο δυτικό Καναδά και βορείως του Βερίγγειου πορθµού. Το τέταρτο κανονικό ζεύγος (W 4 -V 4 ) απεκάλυψε µια τηλεσύνδεση της πίεσης στην περιοχή της κεντρικής/νότιας Ευρώπης µε την περιοχή της βορειοδυτικής Αφρικής (τα σχήµατα δεν παρουσιάζονται) η οποία οφείλεται στην επέκταση του αντικυκλώνα των Αζορών κατά του θερινούς µήνες προς τα βόρεια και ανατολικά. Η πίεση στις περιοχές αυτές συµµεταβάλλεται ασθενώς µε τη θερµοκρασία στη νότια Ευρώπη και ισχυρότερα, αλλά µε αντίθετο πρόσηµο, µε τη θερµοκρασία στη νοτιοδυτική Σαχάρα. Το έβδοµο ζεύγος (W 7 -V 7 ) παρουσιάζει µία τηλεσύνδεση see-saw στην πίεση του κεντρικού Ατλαντικού και της βορείου Ευρώπης (µε επέκταση προς τη Μεσόγειο), η οποία επηρεάζει τη θερµοκρασία στο βορειοδυτικό Ατλαντικό, τη δυτική Ευρώπη, τη βορειοδυτική Ρωσία και τη Μέση Ανατολή. Η τηλεσύνδεση της θερµοκρασίας δυτικής Ευρώπης και ανατολικής Μεσογείου έχει βρεθεί από πολλούς ερευνητές (π.χ. Bartzokas and Metaxas, 1993, van Loon and Rogers, 1978) κατά τη χειµερινή περίοδο. Εδώ, παρουσιάζεται ασθενέστερη. 3.2 Προσπάθεια πρόγνωσης θερµοκρασίας αέρα από την ατµοσφαιρική πίεση 3.2.1 Πίεση Ιουλίου, P(J) Θερµοκρασία Αυγούστου, T(A) Η εφαρµογή της CCA στις χρονοσειρές των παραγόντων της πίεσης για τον µήνα Ιούλιο και της θερµοκρασίας για τον µήνα Αύγουστο, P(J)-T(A), απεκάλυψε 5 στατιστικά σηµαντικά (επίπεδο εµπιστοσύνης 99%) ζεύγη κανονικών µεταβλητών. ύο από αυτά τα ζεύγη κανονικών µεταβλητών, το 1 ο και το 4 ο, παρουσιάζουν ενδιαφέρον αφού οι συντελεστές συσχέτισης των W i και V i µε τις αντίστοιχες πραγµατικές χρονοσειρές της ατµοσφαιρικής πίεσης τον Ιούλιο και της θερµοκρασίας του αέρα για τον Αύγουστο βρέθηκαν σε εκτεταµένες περιοχές άνω του 0.70, σε κάποιες περιπτώσεις µάλιστα έφτασαν το 0.90. Η µελέτη των περιπτώσεων αυτών αποκάλυψε περιοχές για τις οποίες υπάρχει δυνατότητα πρόβλεψης της θερµοκρασίας του Αυγούστου από τις τιµές της ατµοσφαιρικής πίεσης του προηγούµενου µήνα. Το 1 ο κανονικό ζεύγος (W 1 -V 1 ) ερµηνεύει το 11% της κοινής διακύµανσης των δύο πεδίων, το 5% της διακύµανσης του πεδίου της ατµοσφαιρικής πίεσης και το 4% της διακύµανσης του πεδίου της θερµοκρασίας του αέρα. Ο συντελεστής κανονικής συσχέτισης µεταξύ των W 1 και V 1 είναι πολύ υψηλός, r 1 =0.99. Από την µελέτη των σχηµάτων 2α και 2β παρατηρείται µια ισχυρή χρονική τηλεσύνδεση του παράγοντα της ατµοσφαιρικής πίεσης των περιοχών των οροπεδίων της Μογγολίας και βόρειας Κίνας (r=0.89) κατά τον µήνα Ιούλιο µε τον παράγοντα της θερµοκρασίας του αέρα στον Ινδικό ωκεανό και κυρίως στην περιοχή της νήσου Σρι Λάνκα (r=0.78), κατά τον µήνα Αύγουστο. ιαπιστώνεται εποµένως η ισχυρή συνδιακύµανση των δύο αυτών παραµέτρων η οποία µας παρέχει την δυνατότητα να κάνουµε λόγο για πρόγνωση σε ικανοποιητικό βαθµό της θερµοκρασίας στις περιοχές του βορειοανατολικού τµήµατος του Ινδικού ωκεανού τον µήνα Αύγουστο από της µεταβολές της ατµοσφαιρικής πίεσης στα υψίπεδα της Μογγολίας και βόρειας Κίνας ένα µήνα νωρίτερα. Κατά την διάρκεια του θέρους, η θαλάσσια περιοχή νότια της Ινδίας είναι ψυχρότερη από ότι το εσωτερικό της ηπειρωτικής περιοχής, βόρειά της. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την δηµιουργία κέντρου χαµηλών πιέσεων στην περιοχή της κεντρικής Ασίας, µε αποτέλεσµα οι άνεµοι να πνέουν µε Ν-Ν διεύθυνση από την θάλασσα προς της ξηρά. Σηµειώνεται, ότι η κίνηση του ανέµου γίνεται ουσιαστικά κατά την διεύθυνση της βαροβαθµίδας, επειδή στα µικρά γεωγραφικά πλάτη, η δύναµη Coriolis παίρνει χαµηλές τιµές (Μεταξάς και Μπαρτζώκας, 1992). Περνώντας οι άνεµοι αυτοί πάνω από τη θάλασσα, συλλέγουν µεγάλες ποσότητες υδρατµών και προκαλούν ραγδαίες και συνεχείς βροχές στις Ινδίες και στη ΝΑ Ασία, συναντώντας εκεί τους µεγάλους ορεινούς όγκους του Θιβέτ που χωρίζουν την περιοχή από το εσωτερικό της ηπείρου. Η περίπτωση αυτή είναι η περίπτωση των θερινών µουσσώνων, οι οποίοι συµβάλουν καταλυτικά στο κλίµα της περιοχής. Κατά την περίοδο των θερινών µουσσώνων η θερµοκρασία παρουσιάζει πτώση (Sontakke et al., 1993, Yatagai and Yasunari, 1994, Wang and Xu, 1997). Όσο ισχυρότερο είναι το σύστηµα χαµηλών πιέσεων στο εσωτερικό της Ασίας, τόσο µεγαλύτερη δύναµη βαροβαθµίδας αναπτύσσεται, µε αποτέλεσµα εντονότερα φαινόµενα στην περιοχή της Ινδίας και της ΝΑ Ασίας που έχουν ως συνέπεια µεγαλύτερη πτώση της θερµοκρασίας στις περιοχές αυτές. Οι χαµηλές θερµοκρασίες εµµένουν λόγω της παρουσίας του ωκεανού και έτσι δηµιουργείται η χρονική τηλεσύνδεση, που αναλύθηκε παραπάνω. Όµως, η χρονική αυτή τηλεσύνδεση ισχύει και αντιστρόφως. ηλαδή, όσο 4
Σχήµα 2α. P(J)-T(A): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ W 1 και ατµοσφαιρικής πίεσης. Σχήµα 2β. P(J)-T(Α): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ V 1 και θερµοκρασίας αέρα. υψηλότερες είναι οι πιέσεις στην Ασία τον Ιούλιο, τόσο υψηλότερες θα είναι οι θερµοκρασίες στη Σρι Λάνκα τον Αύγουστο. Εκτός από τα δύο αυτά κέντρα, οι χάρτες αποκαλύπτουν και άλλα δευτερεύοντα. Η περιοχή της Σρι Λάνκα τηλεσυνδέεται µε την περιοχή των Φιλιππίνων αλλά µε µικρότερο συντελεστή (σχήµα 2β) και η περιοχή της Μογγολίας τηλεσυνδέεται µε την περιοχή της Σαχάρας (σχήµα 2α), όπου επίσης κατά το θέρος αναπτύσσεται ένα θερµικό χαµηλό, σε συµφωνία µε τα αποτελέσµατα και άλλων ερευνητών (π.χ. Bartzokas and Metaxas, 1993). Το τέταρτο κανονικό ζεύγος (W 4 -V 4 ), απεκάλυψε ασθενή χρονική τηλεσύνδεση του παράγοντα της πίεσης στην περιοχή της βόρειας Ευρώπης µε τον παράγοντα της θερµοκρασίας του αέρα στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου και Μέσης Ανατολής µε αντίθετο πρόσηµο (τα σχήµατα δεν παρουσιάζονται). 3.2.2 Πίεση Ιουλίου, P(J) Θερµοκρασία Σεπτεµβρίου, T(S) Η CCA απεκάλυψε 3 στατιστικά σηµαντικά ζεύγη κανονικών µεταβλητών. Εδώ, θα παρουσιάσουµε µόνο το 1 ο [W 1 -V 1, 13% της κοινής διακύµανσης των δύο πεδίων, 5% της πίεσης και 4% της θερµοκρασίας, r 1 =0.99], το οποίο εµφανίζει τις πιο υψηλές συσχετίσεις µε τα πεδία της θερµοκρασίας και της πίεσης και ως εκ τούτου είναι το πιο αξιοποιήσιµο στην κατεύθυνση της κλιµατικής πρόγνωσης. Όπως και στην περίπτωση Ιουλίου-Αυγούστου, παρουσιάζεται χρονική τηλεσύνδεση µεταξύ των περιοχών της Μογγολίας/βόρειας Κίνας (P) και του βορειοανατολικού τµήµατος του Ινδικού ωκεανού (T). Οι συντελεστές συσχέτισης του W 1 µε την πίεση των περιοχών της Μογγολίας και βόρειας Κίνας τον Ιούλιο φθάνουν το 0.89 και του V 1 µε τη θερµοκρασία στον Ινδικό ωκεανό το Σεπτέµβριο το 0.63 (σχήµατα 3α και 3β). Σηµειώνεται ότι στο χάρτη των θερµοκρασιών εµφανίζεται και µια ισχυρή χωρική τηλεσύνδεση του Ινδικού ωκεανού µε την περιοχή της βόρειας Κίνας. Η τηλεσύνδεση αυτή ήταν πολύ ασθενής στην περίπτωση P(J)-T(Α). Τέλος, τα δευτερεύοντα κέντρα στις Φιλιππίνες και στη Σαχάρα εµφανίζονται και πάλι. Τα αίτια που προκαλούν τις τηλεσυνδέσεις αυτές είναι τα ίδια µε αυτά της περίπτωσης P(J)-T(Α). Η εµµονή των παραπάνω τηλεσυνδέσεων δείχνει την µεγάλη επίδραση που έχει στο κλίµα της περιοχής το φαινόµενο των Μουσώνων. Βέβαια, στην περίπτωση P(J)-T(S) η συσχέτιση της κανονικής µεταβλητής V 1 µε τις πραγµατικές τιµές της θερµοκρασίας στην περιοχή του ΒΑ Ινδικού ωκεανού δεν είναι τόσο υψηλή όσο στην προηγούµενη. Αυτό διότι, τον Σεπτέµβριο, οι θερινοί µουσώνες αρχίζουν και εξασθενούν, οι βροχοπτώσεις µειώνονται µέχρι που τελικά σταµατούν, µε αποτέλεσµα η θερµοκρασία να επανέρχεται σταδιακά στα κανονικά για την εποχή επίπεδα. Όµως, τώρα εµφανίζεται σχετικά ισχυρή η συσχέτιση του V 1 µε τις θερµοκρασίες της κεντρικής Ασίας. ηλαδή, όσο ισχυρότερο είναι το θερµικό χαµηλό τον Ιούλιο, τόσο χαµηλότερες είναι οι θερµοκρασίες στον Ινδικό τον Σεπτέµβριο αλλά ταυτόχρονα σηµειώνονται και 5
Σχήµα 3α. P(J)-T(S): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ W 1 και ατµοσφαιρικής πίεσης. Σχήµα 3β. P(J)-T(S): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ V 1 και θερµοκρασίας αέρα. υψηλές θερµοκρασίες στην κεντρική Ασία που πιθανόν να οφείλονται στην παρατεταµένη ροή των νότιων ανέµων, οι οποίοι στην κεντρική Ασία φθάνουν θερµότεροι αφού είναι καταβάτες. Φαίνεται λοιπόν ότι υπάρχει και εδώ κάποια δυνατότητα πρόγνωσης της θερµοκρασίας του Σεπτεµβρίου για την περιοχή της νήσου Σρι Λάνκα, µέρους της περιοχής του ΒΑ Ινδικού και της κεντρικής Ασίας, από την ατµοσφαιρική πίεση του Ιουλίου. 3.3 Προσπάθεια πρόγνωσης ατµοσφαιρικής πίεσης από τη θερµοκρασία αέρα 3.3.1 Θερµοκρασία Ιουλίου T(J) Πίεση Αυγούστου, P(Α) Η εφαρµογή της CCA στις χρονοσειρές των παραγόντων των πεδίων θερµοκρασίας αέρα για τον µήνα Ιούλιο και ατµοσφαιρικής πίεσης για τον µήνα Αύγουστο, απεκάλυψε 4 στατιστικά σηµαντικά (επίπεδο εµπιστοσύνης 99%) ζεύγη κανονικών µεταβλητών. Από αυτά, ενδιαφέρον παρουσιάζει το 1 ο στο οποίο οι συντελεστές συσχέτισης ξεπερνούν το 0.90. Στο πρώτο 1 o ζεύγος [W 1 -V 1, 12% της κοινής διακύµανσης, 4% της θερµοκρασίας, 5% της πίεσης, r 1 =0.99], εµφανίζεται η γνωστή από τις P T αναλύσεις, χωρική και χρονική τηλεσύνδεση µεταξύ των περιοχών της κεντρικής Ασίας και της Ινδίας /ΝΑ Ασίας (σχήµατα 4α, 4β). Κατ αρχήν, όσον αφορά στη χωρική τηλεσύνδεση, αποκαλύπτεται ότι όταν η θερµοκρασία του αέρα στην περιοχή της Μογγολίας, τον Ιούλιο, είναι υψηλότερη του κανονικού, τότε η θερµοκρασία του αέρα, τον ίδιο µήνα, στην περιοχή του ΒΑ Ινδικού και τη θάλασσα της νότιας Κίνας είναι χαµηλότερη του κανονικού (και αντιστρόφως). Η χωρική αυτή see-saw τηλεσύνδεση των θερµοκρασιών, φαίνεται ότι συµβάλει στο χτίσιµο του συστήµατος των πιέσεων στην περιοχή της κεντρικής Ασίας τον επόµενο µήνα. Έτσι, όταν τον Ιούλιο η θερµοκρασία του αέρα στη Μογγολία είναι υψηλότερη του κανονικού και στο ΒΑ Ινδικό και τη θάλασσα της νότιας Κίνας χαµηλότερη του κανονικού, τότε τον Αύγουστο που ακολουθεί, το χαµηλό που δηµιουργείται στην κεντρική Ασία και ειδικότερα στην ανατολική Μογγολία, είναι βαθύτερο του µέσου όρου (και αντιστρόφως). Σηµειώνεται ότι και εδώ η πίεση στην περιοχή της κεντρικής Ασίας συµµεταβάλλεται µε την πίεση στην περιοχή της Σαχάρας. Τα ευρήµατα της παραγράφου αυτής είναι ίσως τα σηµαντικότερα της εργασίας µας αφού οι συντελεστές συσχέτισης των κανονικών µεταβλητών και των πραγµατικών δεδοµένων είναι οι πιο υψηλοί. Συγκεκριµένα, το W 1 συσχετίζεται µε τη θερµοκρασία του αέρα πάνω από τη θάλασσα της νότιας Κίνας τον Ιούλιο µε συντελεστή συσχέτισης r=0.86 και το V 1 µε την ατµοσφαιρική πίεση στην περιοχή της ανατολικής Μογγολίας τον Αύγουστο µε συντελεστή συσχέτισης r=0.91. εδοµένου του πολύ υψηλού κανονικού συντελεστή συσχέτισης (r > 0.99), είναι προφανές, ότι στην περίπτωση αυτή, T(J) P(Α), η κλιµατική πρόγνωση της µιας παραµέτρου από την άλλη είναι η καλύτερη δυνατή. 6
Σχήµα 4a. T(J)-P(A): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ W 1 και θερµοκρασίας αέρα. Σχήµα 4β. Τ(J)-P(A): Ισοπληθείς καµπύλες συντελεστή συσχέτισης µεταξύ V 1 και ατµοσφαιρικής πίεσης. 3.3.2 Θερµοκρασία Ιουλίου T(J) Πίεση Σεπτεµβρίου, P(S) Στην περίπτωση που η χρονική υστέρηση αυξάνεται σε δύο µήνες, οι τηλεσυνδέσεις της παραπάνω παραγράφου παρουσιάζονται εξασθενηµένες (r=0.50) µε αποτέλεσµα να µην είναι δυνατή η αξιοποίησή τους στο πεδίο της πρόγνωσης (τα σχήµατα δεν παρουσιάζονται). Αντ αυτών, εντοπίσθηκε µια εκτεταµένη περιοχή στον Ειρηνικό (κεντρικός και ανατολικός τροπικός Ειρηνικός) όπου η θερµοκρασία του αέρα τον Ιούλιο εµφανίζεται να τηλεσυνδέεται χρονικά µε την ατµοσφαιρική πίεση στον ανατολικό τροπικό Ειρηνικό δύο µήνες αργότερα. Η τεράστια δεξαµενή θερµότητας του ωκεανού, παίζει σπουδαίο ρόλο στη διαµόρφωση του καιρού και τού κλίµατος της ευρύτερης περιοχής. Τα µεγάλα ποσά θερµότητας µε τον αργό ρυθµό αποβολής τους από τον ωκεανό δηµιουργούν θερµοκρασιακές καταστάσεις και συστήµατα πίεσης που παρουσιάζουν εµµονή ως προς το χρόνο. Παρόλα ταύτα όµως οι συντελεστές συσχέτισης και εδώ δεν ξεπερνούν το 0.70 (τα σχήµατα δεν παρουσιάζονται), τιµές όχι τόσο ικανοποιητικές για κλιµατική πρόγνωση. 4. Συµπεράσµατα Στην παρούσα εργασία αναζητήθηκαν σχέσεις µεταξύ της θερµοκρασίας του αέρα και της ατµοσφαιρικής πίεσης στο βόρειο ηµισφαίριο κατά τη διάρκεια του θέρους µε τη χρήση πολυµεταβλητών στατιστικών µεθόδων. Η έρευνα επεκτάθηκε και στις περιπτώσεις χρονικών τηλεσυνδέσεων των δύο παραµέτρων µε υστέρηση ενός ή δύο µηνών ώστε να εξετασθεί η δυνατότητα κλιµατικής πρόγνωσης. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι υπάρχουν περιοχές για τις οποίες η πρόγνωση της µιας παραµέτρου από την άλλη είναι αρκετά ικανοποιητική. Οι περιοχές οι οποίες παρουσίασαν τους υψηλότερους συντελεστές είναι αυτές του βόρειου Ινδικού ωκεανού για τη θερµοκρασία του αέρα και της Μογγολίας για την ατµοσφαιρική πίεση. Βρέθηκε ότι το καθεστώς της πίεσης στη Μογγολία τον Ιούλιο συσχετίζεται υψηλά µε το καθεστώς της θερµοκρασίας στο βόρειο Ινδικό τόσο τον Αύγουστο όσο και το Σεπτέµβριο. Επίσης, η θερµοκρασία του αέρα στον Ινδικό ωκεανό τον Ιούλιο συσχετίζεται πολύ ισχυρά µε την πίεση στη Μογγολία τον Αύγουστο. Βιβλιογραφία Μεταξάς. A. και Α. Μπαρτζώκας, 1992: Εισαγωγή στη υναµική Μετεωρολογία. Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων. Μεταξάς. Α., Α. Μπαρτζώκας, Χ. Ι. Λώλης και Κ. Φιλάνδρας, 2002: Συµβολή στην εποχική πρόγνωση της θερµοκρασίας του αέρα στο βόρειο ηµισφαίριο µε τη χρήση στατιστικών µεθόδων. 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Μετεωρολογίας-Κλιµατολογίας-Φυσικής της Ατµόσφαιρας, Ιωάννινα, Σεπτέµβριος 2002, 172-185. American Meteorological Society Glossary: http://amsglossary.allenpress.com/glossary/ 7
Bartzokas A. and D. A. Metaxas, 1993: Covariability and climatic changes of the lower-troposphere temperatures over the northern hemisphere. Il Nuovo Cimento, 16C, 359 373. Glantz M. H., N. Nicholls and R. W. Katz, 1991: Teleconnections Linking Worldwide Anomalies. Cambridge University Press. Goddard L., S. J. Mason, S. E. Zebiak, C. F. Ropelewski, R. Basher and M. A. Cane, 2001: Current approaches to seasonal-to interannual climate predictions. International Journal of Climatology 21: 1111 1152. Jolliffe I. T., 1986: Principal Component Analysis. Springer-Verlag: New York. Sontakke N. A., G. B. Pant and N. Singh, 1993: Construction of all-india summer monsoon rainfall series for the period 1844 1991. Journal of Climate, 6, 1807 1811. van Loon H. and J. C. Rogers, 1978: The seesaw in winter temperatures between Greenland and Northern Europe. Part I: General description. Monthly Weather Rev, 106, 296-310. Wang B. and Χ. Η. Xu, 1997: Northern Hemisphere Summer Monsoon Singularities and Climatological Intraseasonal Oscillation. Journal of Climate, 10(5), 1071 1085. Yatagai A. and T. Yasunari, 1994: Trends and decadal-scale fluctuations of surface air temperature and precipitation over China and Mongolia during the recent 40 year period (1951 1990). Journal of the Meteorological Society of Japan, 72, 937 957. 8