Ομογενοποίηση κλιματικών χρονοσειρών της Ελλάδας και χωρική ανάλυση ομογενοποιημένων δεδομένων θερμοκρασίας

Abstract

In the recent years climate variability and climate change are in the epicenter of global interest following assessments that most of the temperature change observed over the last fifty years can be attributed to anthropogenic impacts (IPCC, 2007). According to the fourth and fifth Assessment Report (IPCC, 2007) the climate change is already affecting the planet and society. Changes are being felt in natural ecosystems but are not happening uniformly. Some areas have already seen the greatest warming, and will continue to warm more rapidly than others. On the other hand, some areas may actually get a bit cooler for a while.It is well known that the long term time series of climate observations measured at synoptic and upper air meteorological stations provide one of the most accurate records of weather and climate evolution from past to date. These data are used either for research purposes, either to support general human activities for the benefit of society, such as the construction of a wind park or a hydroelectric dam or a solar village.The broad utility of these measurements require the need to collect, rescue and distribute high quality, reliable and correct meteorological data. The quality control procedure of the meteorological data collected daily from synoptic stations and stored in climate databases is necessary but not sufficient, since there are a number of non-climatic factors that affect measurements of climatic parameters. The major non-climatic factors are: station relocations, changes in the instrumentation and recalibrations, new formulae used to calculate climate parameters (e.g. mean temperature), changes in land use, and changes in observation practices. All of these changes introduce inhomogeneities in time series and cause sudden or gradual changes and trends that are not attributed to climate change. Therefore, making the time series non-representative of actual climate variation of a region. In practice, inhomogeneities are hardly ever avoided, because the meteorological station networks are constantly changing. Thus in order to draw sound conclusions about the climate, homogenized data series are required. The aim of the homogenization procedures is to detect the inhomogeneities and produce time series free from artificial, non-climatic trends.A myriad of methods have been developed so far in order to detect inhomogeneities on yearly and monthly time series and fewer for the daily series. All of these methods use mathematical and statistical tools in order to identify and correct possible inhomogeneities. None of these methods is perfect, each one having advantages and disadvantages. However, the existence of many homogenization methods worldwide, as well as the fact that the climate time series of Greek meteorological stations have not undergone any homogenization, inspired us the idea to compare the most modern homogenization methods, detect eventual inhomogeneities, correct them and assess the impacts on the weather time series.For this purpose, 52 daily and monthly mean temperature time series belonging at the HNMS and covering the period 1960-2004, as well as 69 sets of monthly precipitation data for the period 1974-2004 were used. The ultimate goal is to provide high quality homogenized data series that will be used for creating the first modern climatic atlas of Greece. Thus, apart from the investigation, implementation and evaluation of homogenization methods, this work provides an overview of the existing methods of spatial analysis and interpolation of climate data and attempts the geospatial analysis of monthly, homogenized mean temperature time series. Finally, very high resolution monthly mean air temperature climatology for the Greek area is provided for the normal period 1971 to 2000.The reason that we were constrained to limit our analysis up to 2004 is that there are serious problems with the data after that date that we cannot ignore. The problem arises from the fact that there are important data gaps for the period 2005 to 2009, due to a database corruption during the transfer of the data from an old server to a new one. Many of these missing data are available in hard copy, but had not been re-digitized and entered in the database when this study started. For example, for the Aegean Sea area, there are data available for only one out of 18 of the stations available stations. If this important gap did not exist we would already have homogenized the time series up to 2013 (we performed this work in 2014) and study the trends for an even longer period. Unfortunately the current situation does not allow us to do so. Another reason for which we limited our study up to the year 2004, is that since 2005 and until this time, no quality control has been applied on the time series provided by the stations of the HNMS.The idea of this thesis stemmed from the participation of both the Hellenic National Meteorological Service and the Laboratory of Atmospheric Physics of the University of Patras to the COST - ES0601 action "Advances in homogenization methods of climate series: an integrated approach HOME".

Τις τελευταίες δεκαετίες η μελέτη του κλίματος βρίσκεται στο επίκεντρο του παγκόσμιου ενδιαφέροντος. Μάλιστα σύμφωνα με τα πορίσματα της τέταρτης και πέμπτης έκθεση του IPCC η κλιματική αλλαγή δεν εκδηλώνεται με τον ίδιο τρόπο σε ολόκληρο τον πλανήτη, αλλά είναι συνάρτηση των γεωγραφικών συντεταγμένων του κάθε τόπου, καθώς πολλά οικοσυστήματα επηρεάζονται από τοπικές κλιματικές μεταβολές. Είναι γεγονός ότι οι μακρόχρονες σειρές μετεωρολογικών παρατηρήσεων από επίγειους μετεωρολογικούς σταθμούς καθώς και από σταθμούς ανώτερης ατμόσφαιρας, παρέχουν τις πιο ακριβείς πληροφορίες σχετικά με την ατμόσφαιρα, το περιβάλλον και την πορεία του κλίματος από το παρελθόν έως σήμερα. Οι μετρήσεις αυτών των σταθμών χρησιμοποιούνται είτε για ερευνητικούς σκοπούς με στόχο την ανάλυση του κλίματος, είτε για την υποστήριξη των γενικότερων ανθρώπινων δραστηριοτήτων επ’ ωφελεία του κοινωνικού συνόλου, όπως για παράδειγμα η κατασκευή ενός αιολικού πάρκου ή ενός υδροηλεκτρικού φράγματος ή ενός ηλιακού χωριού.Η ευρεία χρησιμότητα αυτών των μετρήσεων επιβάλλει την ανάγκη συλλογής, διάσωσης και διαφύλαξης μετεωρολογικών δεδομένων τα οποία θα είναι υψηλής ποιότητας, αξιόπιστα και ορθά. Ο ποιοτικός έλεγχος των μετεωρολογικών δεδομένων που συλλέγονται καθημερινά από συνοπτικούς σταθμούς και φυλάσσονται σε κλιματικές βάσεις δεδομένων είναι απαραίτητος αλλά όχι αρκετός, καθώς υπάρχουν διάφοροι μη κλιματικοί παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τις μετρήσεις. Οι κυριότεροι μη κλιματικοί παράγοντες είναι: η μετεγκατάσταση των μετεωρολογικών σταθμών, οι αλλαγές στις συνθήκες κατά τις οποίες μια μετεωρολογική παράμετρος μετριέται, διαβιβάζεται και αποθηκεύεται σε μια κλιματική βάση, οι αλλαγές στη χρήση γης γύρω από έναν μετεωρολογικό σταθμό, η αντικατάσταση μετεωρολογικών οργάνων μέτρησης με άλλα νεότερης τεχνολογίας, οι αλλαγές στον τρόπο υπολογισμού μια κλιματικής παραμέτρου. Όλες αυτές οι αλλαγές εισάγουν ανομοιογένειες στις χρονοσειρές και προκαλούν απότομες ή σταδιακές μεταβολές και τάσεις που φυσικά δεν οφείλονται σε κλιματική αλλαγή. Ως εκ τούτου, καθιστούν τις χρονοσειρές μη αντιπροσωπευτικές της πραγματικής κλιματικής διακύμανσης μιας περιοχής. Κατά τη διαδικασία της ομογενοποίησης ανιχνεύονται πιθανά σφάλματα, λάθη και ασυνέχειες τα οποία έχουν υπεισέρθει σε μια κλιματική σειρά και διορθώνονται προκειμένου να προκύψει εν τέλει η χρονοσειρά απαλλαγμένη από τεχνητές, μη κλιματικές τάσεις. Στη μελέτη λοιπόν του κλίματος, η χρήση ομογενοποιημένων χρονοσειρών είναι απαραίτητη, προκειμένου να εξαχθούν ορθά συμπεράσματα.Έως σήμερα έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνικές ομογενοποίησης μηνιαίων και ετήσιων χρονοσειρών και λιγότερες ημερήσιων σειρών. Όλες αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούν μαθηματικά και στατιστικά εργαλεία προκειμένου να εντοπίσουν και να διορθώσουν πιθανές ανομοιογένειες. Καμία τεχνική δεν είναι τέλεια, κάθε μια παρουσιάζει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ωστόσο, η ύπαρξη πολλών διαφορετικών μεθόδων ομογενοποίησης παγκοσμίως, καθώς επίσης και το γεγονός ότι οι κλιματικές σειρές των ελληνικών μετεωρολογικών σταθμών δεν έχουν υποστεί κανενός είδους ομογενοποίηση έως σήμερα, ξεκίνησε την παρούσα έρευνα με σκοπό να εξετάσει τις πιο σύγχρονες μεθόδους ομογενοποίησης, να επιχειρήσει την ομογενοποίηση χρονοσειρών που περιγράφουν τη διακύμανση του κλίματος στην Ελλάδα και να αξιολογήσει τις επιπτώσεις τους.Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν 52 ημερήσιες και μηνιαίες χρονοσειρές μέσης θερμοκρασίας επιλεγμένων μετεωρολογικών σταθμών της ΕΜΥ για την περίοδο 1960-2004, καθώς επίσης και 69 σειρές μηνιαίου ύψους υετού για την περίοδο 1974-2004. Απώτερος στόχος είναι να αποτελέσουν οι ομογενοποιημένες πλέον σειρές το θεμέλιο για τη δημιουργία του πρώτου σύγχρονου κλιματικού άτλαντα της Ελλάδας, ο οποίος θα μελετά τις κλιματικές τιμές διαφόρων μετεωρολογικών παραμέτρων ανά τριακονταετία όπως αυτές ορίζονται από τον WMO (1961-1990, 1971-2000, κ.ο.κ.). Στο πλαίσιο αυτό, πέρα από τη διερεύνηση, εφαρμογή και αξιολόγηση μεθόδων ομογενοποίησης, γίνεται μια ανασκόπηση των μεθόδων χωρικής ανάλυσης που χρησιμοποιούνται για τη χωρική παρεμβολή μετεωρολογικών και κλιματικών παραμέτρων. Επιπλέον, επιχειρείται γεωχωρική ανάλυση των μηνιαίων, ομογενοποιημένων χρονοσειρών μέσης θερμοκρασίας που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη. Η γεωχωρική ανάλυση πραγματοποιείται με τη βοήθεια κατάλληλης μεθόδου παρεμβολής και τα αποτελέσματα που προκύπτουν αξιολογούνται. Τέλος, παρέχονται υψηλής ανάλυσης χάρτες της μέσης θερμοκρασίας ανά μήνα για την τριακονταετία 1971-2000.Η ιδέα αυτής της διατριβής προέκυψε κατά τη συμμετοχή τόσο της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας όσο και του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Πανεπιστημίου Πατρών στη δράση COST - ES0601 "Advances in homogenization methods of climate series: an integrated approach HOME".