Οι τύποι καιρού σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη και οι σχέσεις τους με τους τύπους κυκλοφορίας

Abstract

The present PhD thesis is a contribution to the study of weather types that occur over two Greek stations, Athens and Thessaloniki. More specifically, the aim of the study is to distinguish primary weather patterns so that the investigation into the relationship between weather patterns and circulation types will be more effective. For this purpose, data of several surface meteorological parameters have been employed in addition to NCEP/NCAR data referring to the 500hPa level and finally the calendar of an automatic classification of circulation types according to Maheras et al (2000a). On the first step, the Besancenot (1990) classification of weather types has been applied for both of the stations. A new classification of weather types has been created as a result of the low or even zero frequencies of occurrence for some of the Besancenot weather types as well as the very high percentage of occurrence of the “unfavorable conditions” weather type. The new grouping of weather types reflects better the conditions over the two Greek stations. Twelve weather types have been created for the cold and eleven for the warm period of the year. Significant differences are observed mainly due to the particular characteristics of each meteorological parameter at each of the stations. Rainy days are more in Thessaloniki whereas the overall amount of precipitation is higher in Athens. During the warm period the days that are related with episodes of discomfort feeling are relatively higher in Thessaloniki. Furthermore, a new method for the automatic classification of weather types is presented which combines meteorological parameters, reflecting air mass characteristics at the surface, with synoptic conditions prevailing over an area. Five quantitative meteorological parameters are used in the procedure: temperature, precipitation, relative humidity, wind velocity and sunshine duration. In addition, two qualitative variables related to the prevailing circulation type and whether it is cyclonic or anticyclonic are also included. Weather types are defined using a relatively new method of cluster analysis, Two-Step Cluster Analysis, which allows the simultaneous use of both quantitative and qualitative variables. For Athens, six weather types are created, whereas for Thessaloniki five are produced. For both stations, only two weather types are related to anticyclonic situations. The majority of the identified weather types correspond to a distinctive and well-defined synoptic situation. Each weather type differs from the others, not only in terms of the circulation conditions referring to it, but also with reference to meteorological variables such as temperature and precipitation. Finally, Discriminant Analysis is applied in order to determine the relationships between circulation types in the middle troposphere and prevailing weather types. By means of a Stepwise Discriminant Analysis model, the most important variables from the 500 hPa level are found and are used to generate the necessary functions that can discriminate weather types over the two stations. The first function discriminates the days into cyclonic and anticyclonic ones, the second function dissociates two of the most predominant weather types according to the position (latitude and longitude) of the center of the circulation type while the rest of the functions use appropriate grid points parameters in order to separate the rest of the weather types with regard to their thermo-dynamical characteristics. The results of the evaluation of the aforementioned procedure are considered to be very satisfactory (>80%).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια συμβολή στη μελέτη των τύπων καιρού που επικρατούν σε δυο σταθμούς της ελληνικής περιοχής, την Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη. Βασικός στόχος της μελέτης είναι η δημιουργία νέων κατατάξεων τύπων καιρού και η εύρεση των σχέσεων που τους συνδέουν με τους τύπους κυκλοφορίας. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα που αναφέρονται σε μετεωρολογικές παραμέτρους στην επιφάνεια των σταθμών, δεδομένα NCEP/NCAR από την ισοβαρική στάθμη των 500hPa καθώς και το ημερολόγιο της αυτόματης κατάταξης τύπων κυκλοφορίας των Maheras et al (2000a). Στο πρώτο στάδιο της μελέτης εφαρμόσθηκε η κατάταξη τύπων καιρού του Besancenot (1990) στους δυο σταθμούς. Οι μικρές ή ακόμη και μηδενικές συχνότητες εμφάνισης κάποιων τύπων καιρού καθώς και τα ιδιαίτερα υψηλά ποσοστά επικράτησης του «κακού» τύπου καιρού οδήγησαν στη δημιουργία μιας νέας εμπειρικής κατάταξης τύπων καιρού με καλύτερη προσαρμογή στα ελληνικά δεδομένα. Προέκυψαν 12 τύποι καιρού για την ψυχρή και 11 για τη θερμή περίοδο του έτους. Οι δύο σταθμοί παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές οι οποίες διέπονται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε παραμέτρου σε κάθε σταθμό. Οι ημέρες με μεγάλες ταχύτητες ανέμου είναι περισσότερες στην Αθήνα, ενώ οι ημέρες με χαμηλές θερμοκρασίες είναι περισσότερες στη Θεσσαλονίκη. Οι ημέρες βροχής είναι περισσότερες στη Θεσσαλονίκη ωστόσο τα συνολικά ποσά βροχής είναι μεγαλύτερα στην Αθήνα. Τη θερμή περίοδο είναι σχετικά αυξημένες οι ημέρες που συνδέονται με επεισόδια δυσφορίας στη Θεσσαλονίκη. Ακολούθως, προτείνεται μια μεθοδολογία για την αυτόματη κατάταξη των τύπων καιρού. Οι τύποι αυτοί συνδυάσουν πέντε επιφανειακές μετεωρολογικές μεταβλητές με δυο ποιοτικές μεταβλητές, οι οποίες σχετίζονται με τον επικρατών τύπο κυκλοφορίας και με τη κατηγοριοποίηση του σε κυκλωνικό ή αντικυκλωνικό. Οι τύποι καθορίζονται μέσω της ανάλυσης κατά συστάδες σε δύο βήματα (Two - Step Cluster Analysis, TSCA). Για την Αθήνα δημιουργήθηκαν 6 τύποι καιρού για την ψυχρή - υγρή περίοδο, τρείς για τη θερμή - ξηρή και πέντε για τη μεταβατική ενώ για τη Θεσσαλονίκη προέκυψαν πέντε, τρείς και πέντε, αντίστοιχα. Στην πλειοψηφία τους οι τύποι καιρού που αναγνωρίστηκαν αντιστοιχούν σε διακριτές και καλώς ορισμένες συνοπτικές καταστάσεις. Κάθε τύπος καιρού διαφέρει από τους υπόλοιπους όχι μόνο αναφορικά με τις συνθήκες κυκλοφορίας κατά την επικράτησή του, αλλά και σε σχέση με μετεωρολογικές μεταβλητές όπως η θερμοκρασία και η βροχόπτωση. Η Διαχωριστική Ανάλυση (Discriminant Analysis, DA) εφαρμόσθηκε με κύριο στόχο να βρεθούν οι σχέσεις που συνδέουν τους τύπους κυκλοφορίας της μέσης τροπόσφαιρας με τους τύπους καιρού. Μέσω μιας κλιμακωτής διαχωριστικής ανάλυσης (stepwise DA), αρχικά απομονώθηκαν οι σημαντικότερες μεταβλητές από τη στάθμη των 500 hPa και χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να παραχθούν οι απαραίτητες συναρτήσεις οι οποίες είναι ικανές να διαχωρίσουν τους τύπους καιρού στους δυο σταθμούς μελέτης. Η πρώτη διαχωριστική συνάρτηση διαχωρίζει τις ημέρες σε κυκλωνικές ή αντικυκλωνικές, η δεύτερη διαχωρίζει δύο από τους επικρατούντες τύπους καιρού σε σχέση με τη θέση (γεωγραφικό πλάτος και μήκος) του κέντρου του τύπου κυκλοφορίας και οι υπόλοιπες συναρτήσεις απομονώνουν κατάλληλα επιλεγμένα κομβικά σημεία και διαχωρίζουν τους εναπομείναντες τύπους καιρού σε σχέση με τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά τους. Τα ποσοστά ορθής κατάταξης των τύπων καιρού είναι ιδιαίτερα υψηλά (>80%).