Διερεύνηση συνθηκών εφαρμογής προγραμμάτων αύξησης βροχής: εφαρμογή στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας

Abstract

Rain enhancement feasibility potential is investigated in the present study. This is achieved through the creation of a conceptual model that depicts, analyzes and combines parameters such as rain, drought, cloud amount, cloud characteristics, the synoptic, dynamic and thermodynamic condition of the atmosphere, defining thus, feasibility potential. The conceptual model is applied within the major area of Thessaly in Central Greece. A review of the historical evolution of weather modification along with the theoretical background of rain enhancement and findings from rain enhancement programs is described firstly. Rain and drought analysis over the area indicates that trend in yearly rain amount has not altered during the last 55 years, although the area in the past has suffered drought periods (1965-1971 and 1983-1999). Soil moisture deficit is observed from April until October; therefore, a rain enhancement program should be applied over that period. Cloudiness analysis also indicates that serious amounts of convective clouds, though minimal during July and August, are present throughout that period. Thunderstorm cells that develop over the area are depicted, analyzed and recorded through TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting) algorithm from weather radar data. From the analysis, 332 days of thunderstorm activity are produced and classified into 7 distinct synoptic patterns. Maximum convective activity is observed during June (19 days) and most frequent synoptic pattern is northwest flow (NW) which appears 21 days, on average, each period. Thermodynamic analysis and the study of 7 instability indices indicates that atmospheric instability increases from April to July (maximum values) and then decreases slowly. Thunderstorm cell characteristics are analyzed through different synoptic patterns, according the month of appearance, between simple and complex cells and between two different areas, a mountainous and a plain one. Thunderstorm cell characteristics of complex cells are stronger than those of simple cells. The analysis between the two selected areas indicates that, simple cells that appear in the plain area last longer, produce rain more frequent, show lower top heights and slightly stronger reflectivity values that simple cells appear in the mountainous area. Comparing cell characteristics between synoptic patterns and months of appearance, it is concluded that, seasonal differences are more profound than synoptic differences. Case studies indicate that convective activity over the area results from a mixture of dynamic and thermodynamic conditions that must be present. Moisture layer within the lower troposphere is also necessary. Analysis results are grouped into four (4) factors: the hydroclimatic, the synoptic, the thermodynamic and the dynamic. The synthesis of all factors is the conceptual model, expressing feasibility potential for the application of a rain enhancement program. According to that, the period from mid March until mid October is proposed as feasible period. This period is separated into 5 sub-periods: 1st sub-period: 20 March – 20 May, 2nd sub-period: 21 May – 20 June, 3rd sub-period: 21 June – 20 August, 4th sub-period: 21 August – 20 September and 5th sub-period: 21 September – 20 October. Favorable sub-periods for application are: 1st, 2nd and 4th sub-periods. The 1st and the 5th sub-periods are dominated by the synoptic factor, the 3rd sub-period from the thermodynamic factor, while the 2nd and the 4th sub-periods by both factors.

Η μελέτη των αρχών που διέπουν ένα πρόγραμμα αύξησης βροχής και των χαρακτηριστικών που το καθορίζουν αποτελούν τον αντικειμενικό σκοπό της παρούσας διατριβής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της δημιουργίας ενός εννοιολογικού μοντέλου (conceptual model) στο οποίο αναλύονται, συνδυάζονται, συνθέτονται και απεικονίζονται παράμετροι όπως ο υετός, η ξηρασία, η νέφωση, τα χαρακτηριστικά των νεφών, η συνοπτική, η δυναμική και η θερμοδυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας. Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζονται διαδικασίες για τη δυνητικότητα εφαρμογής ενός προγράμματος αύξησης υετού. Το εννοιολογικό μοντέλο εφαρμόζεται στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλίας. Σε πρώτο στάδιο, παράλληλα με την ιστορική ανασκόπηση της τροποποίησης του καιρού αναπτύσσεται τόσο η εξέλιξη του θεωρητικού υπόβαθρου, στο οποίο στηρίζεται ένα πρόγραμμα αύξησης υετού, όσο και τα αποτελέσματα διαφόρων προγραμμάτων αύξησης υετού που εφαρμόστηκαν διεθνώς. Στη συνέχεια αναφέρονται χαρακτηριστικά της περιοχής και μελετούνται ο υετός, η ξηρασία και η νέφωση. Από την ανάλυση προκύπτει ότι η τάση του ετήσιου ύψους του υετού δεν έχει μεταβληθεί, η περιοχή κατά το παρελθόν έχει αντιμετωπίσει αρκετές περιόδους ξηρασίας (1965-1971 και 1983-1999), ενώ εποχικά παρατηρείται έλλειμμα εδαφικής υγρασίας την περίοδο Απριλίου - Οκτωβρίου. Σωρειτόμορφα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης, αν και σε μειωμένες ποσότητες τον Ιούλιο και τον Αύγουστο, εμφανίζονται καθ’ όλη τη διάρκεια της περιόδου αυτής. Στη συνέχεια αναλύονται τα χαρακτηριστικά των κυττάρων καταιγίδας που αναπτύσσονται με βάση συγκεκριμένα κριτήρια ανίχνευσης και επαλήθευσης από το σύστημα ΤΙΤΑΝ (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting). Προκύπτουν 332 ημέρες σωρειτόμορφης δραστηριότητας οι οποίες κατατάσσονται σε επτά συνοπτικές καταστάσεις. Το μέγιστο της σωρειτόμορφης δραστηριότητας παρατηρείται τον Ιούνιο με 19 ημέρες, ενώ η συνοπτική κατάσταση με τη μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης είναι η βορειοδυτική ροή (NW) με 21 ημέρες ανά περίοδο. Από τη μελέτη των δεικτών αστάθειας προκύπτει σταδιακή αύξηση της ατμοσφαιρικής αστάθειας από τον Απρίλιο έως τον Ιούλιο και στη συνέχεια σταδιακή μείωση. Η εξέταση των χαρακτηριστικών των κυττάρων καταιγίδας που αναπτύσσονται πραγματοποιείται μεταξύ δύο υποπεριοχών της Θεσσαλίας, μιας ορεινής και μιας πεδινής, μεταξύ απλών και σύνθετων κυττάρων, μεταξύ διαφορετικών συνοπτικών καταστάσεων και εποχικά με βάση τον μήνα εμφάνισης. Τα σύνθετα κύτταρα εμφανίζουν ισχυρότερα χαρακτηριστικά από τα απλά κύτταρα. Τα απλά κύτταρα στην ανατολική πεδινή έκταση εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια και πιθανότητα εκδήλωσης υετού, χαμηλότερο ύψος κορυφής αλλά και μεγαλύτερη ανακλαστικότητα σε σχέση με τα απλά κύτταρα που αναπτύσσονται στη δυτική ορεινή περιοχή. Συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά των κυττάρων ανά συνοπτική κατάσταση και εποχικά προκύπτει ότι οι εποχικές διαφορές είναι εντονότερες σε σχέση με τις διαφορές ανά συνοπτική κατάσταση. Η αναλυτική εξέταση συγκεκριμένων περιπτώσεων δείχνει ότι για την εκδήλωση σωρειτόμορφης δραστηριότητας προαπαιτείται ο συνδυασμός δυναμικών και θερμοδυναμικών αιτίων, ενώ απαραίτητο συστατικό αποτελεί η ύπαρξη υγρού στρώματος αέριας μάζας στην κατώτερη τροπόσφαιρα. Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων προκύπτουν τέσσερεις (4) παράγοντες οι οποίοι συνθέτουν το εννοιολογικό μοντέλο. Ο υδροκλιματικός, ο συνοπτικός, ο θερμοδυναμικός και ο δυναμικός. Συνδυάζοντας τους παράγοντες αυτούς στο εννοιολογικό μοντέλο καθορίζεται το δυνητικό διάστημα εφαρμογής ενός προγράμματος αύξησης βροχής το οποίο προσδιορίζεται από τα μέσα Μαρτίου έως τα μέσα Οκτωβρίου. Το διάστημα αυτό διαχωρίζεται σε 5 περιόδους ως εξής: 1η περίοδος: 20 Μαρτίου – 20 Μαΐου, 2η περίοδος: 21 Μαΐου – 20 Ιουνίου, 3η περίοδος: 21 Ιουνίου – 20 Αυγούστου, 4η περίοδος: 21 Αυγούστου – 20 Σεπτεμβρίου και 5η περίοδος: 21 Σεπτεμβρίου – 20 Οκτωβρίου. Ως βέλτιστες περίοδοι εφαρμογής κρίνονται οι: 1η , 2η και 4η περίοδος.