Μελέτη των παραμετροποιήσεων του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος και της μικροφυσικής στην προσομοίωση ισχυρών βροχοπτώσεων

Abstract

The aim of this study is to investigate the impact of microphysical and boundary layer parameterizations on the simulation of heavy rainfall events over the coastal complex terrain of Chalkidiki peninsula (Greece), using a state of the art regional meteorological model. Precipitation climatology over Chalkidiki is characterized by limited annual rainfall, but in the occurrence of heavy rainfall episodes daily accumulations are exceptional high with increased precipitation rates, leading often to severe flooding. At first, a database of cold-season heavy rainfall episodes was created from the available raingauge data and was used to identify the characteristics of the synoptic circulation patterns associated with heavy rainfall events and corresponding flooding over the area of interest. Applying a multivariate statistical methodology, 55 episodes were classified into 8 clusters. In the vast majority of the cases examined, intense rainfall is produced by the interaction of synoptic-scale disturbances and low level instability manifested by the convergence of potential unstable low level flow influenced by cyclonic vorticity advection at mid-levels. Next, selected cases were simulated using the WRF model and compared with raingauge measurements to examine the behavior of the microphysical and turbulent diffusion parameterizations in simulating exceptional heavy rainfall events. Results revealed that precipitating ice and especially the degree of riming of ice particles dominates the temporal and spatial distribution of heavy precipitation episodes. Sensitivity experiments indicated that this process seems to be the most important factor controlling the differences in surface precipitation between different microphysical parameterization approaches. Additionally, it was shown that snow overestimation can lead to high rainfall accumulations, even though rain is more evenly distributed over the 24h period, deteriorating precipitation forecasts. It was also identified that the ability of boundary layer parameterizations to humidify mid-tropospheric layers, strongly interacts with cloud microphysics. Local closure schemes, produce insufficient vertical mixing confining moisture to lower levels, greatly decreasing condensates and corresponding latent heating that resulted in surface precipitation reduction, compared to non-local parameterizations. Moreover, sensitivity runs indicated that condensational heating from the microphysical processes exhibit a pronounced contribution to the synoptic scale environment by increasing the intensity of larger-scale baroclinicity. Therefore, diabatic heating seems to be one of the most important factors affecting cyclogenesis and controlling the differences in the simulations between the local and non-local BL schemes, forced by their ability in transferring moisture to upper levels.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης των παραμετροποιήσεων μικροφυσικής και οριακού στρώματος ενός σύγχρονου μετεωρολογικού μοντέλου στην προσομοίωση επεισοδίων ισχυρής βροχόπτωσης σε μια περιοχή πολύπλοκου ανάγλυφου. Οι παραμετροποιήσεις των φυσικών μηχανισμών που διέπουν τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα αποτελούν έναν από τους βασικότερους παράγοντες διαμόρφωσης της αριθμητικής πρόγνωσης καιρού. Ως περιοχή μελέτης επιλέχτηκε η χερσόνησος της Χαλκιδικής εξαιτίας των ιδιόμορφων φυσιογραφικών χαρακτηριστικών και της ιδιαίτερης κλιματολογίας των βροχοπτώσεων. Κύριο χαρακτηριστικό αυτής είναι η ραγδαιότητα των επεισοδίων ισχυρής βροχόπτωσης που προκαλούν εξαιρετικά μεγάλες τιμές 24ωρου υετού παρότι η ετήσια βροχόπτωση είναι χαμηλή. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν διαθέσιμα βροχομετρικά δεδομένα και στοιχεία πλημμυρών για την αναγνώριση των επεισοδίων βροχόπτωσης και πλημμυρικών συμβάντων κατά τη ψυχρή περίοδο του έτους την τελευταία δεκαπενταετία στην περιοχή. Στη συνέχεια με την εφαρμογή μιας πολυμεταβλητής στατιστικής μεθοδολογίας, 55 περιπτώσεις κατηγοριοποιήθηκαν σε 8 ομάδες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας που σχετίζονται με την εμφάνιση επεισοδίων βροχόπτωσης. Η πλειοψηφία των επεισοδίων προκαλούνται από οργανωμένες διαταραχές της μέσης τροπόσφαιρας που αποσταθεροποιούν τη δυνητικά ασταθή κατώτερη τροπόσφαιρα και επιβάλλουν μια συγκλίνουσα ροή πάνω από την περιοχή, που συνδέεται συνήθως με μεταφορά κυκλωνικού στροβιλισμού στη μέση τροπόσφαιρα. Το ανάγλυφο επιδρά μόνο τοπικά στη θέση και ένταση των παρατηρούμενων μεγίστων αθροιστικής βροχόπτωσης. Ακολούθησαν προσομοιώσεις των σημαντικότερων πλημμυρικών επεισοδίων με το μοντέλο WRF, το οποίο δύναται να αναπαράγει τα παρατηρούμενα ποσά βροχής εμφανίζοντας όμως σε ορισμένες περιπτώσεις μικρά σφάλματα που δημιουργούν αστοχίες στην πρόβλεψη της θέσης της μέγιστης βροχόπτωσης. Από την ανάλυση της συμπεριφοράς των προσομοιώσεων φαίνεται η σημαντική αλληλεπίδραση τυρβώδους διάχυσης και μικροφυσικής. Η μη-τοπική προσέγγιση στην παραμετροποίηση του οριακού στρώματος μεταφέρει περισσότερη υγρασία ψηλότερα παράγοντας μεγαλύτερη μάζα παγοσωματιδίων που εμφανίζουν την κύρια συνεισφορά στην επιφανειακή βροχόπτωση. Ο βαθμός στεφανώματος των παγοσωματιδίων που εκφράζεται στα περισσότερα σχήματα μικροφυσικής από την αναλογία μαλακού χαλαζιού-χιονιού, ορίζει στη συνέχεια τη χωρική και χρονική κατανομή της βροχόπτωσης. Αυξημένη παραγωγή μαλακού χαλαζιού ενισχύει τη ραγδαιότητα όμως η υπερεκτίμηση του χιονιού μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλα ποσά αθροιστικής βροχόπτωσης. Τέλος, είναι ιδιαίτερα σημαντική η εύρεση ενός έμμεσου μηχανισμού αλληλεπίδρασης της κατακόρυφης τυρβώδους διάχυσης με το συνοπτικό περιβάλλον στην περίπτωση κυκλογένεσης στο Αιγαίο. Η ικανότητα μεταφοράς υγρασίας στα ψηλότερα ατμοσφαιρικά στρώματα επηρεάζει το ρυθμό διαβατικής θέρμανσης από τις μικροφυσικές διεργασίες που με τη σειρά του τροποποιεί τη βαροκλινικότητα στη μέση τροπόσφαιρα. Επιπλέον αποδείχτηκε ότι απουσία της διαβατικής θέρμανσης δεν σχηματίζεται επιφανειακή ύφεση, καταδεικνύοντας την καθοριστική σημασία της στην κυκλογένεση στον Ελληνικό χώρο.