Αξιολόγηση μεθοδολογιών εκτίμησης θερμοϋγρομετρικών συνθηκών ορεινών περιοχών και συμβολή τους στην διερεύνηση των βιοκλιματικών συνθηκών και την προστασία τους: εφαρμογή στον Εθνικό Δρυμό του Αίνου

Abstract

Mountainous areas of our country are a pole of attraction for visitors during the summer season and especially those that are characterized as national parks. This means that researching in these areas the expected thermal sensation of visitors by region, season and time is important, At the same time, for the safety of visitors and the protection of the environment, it is necessary to research during the critical summer period, the risk of wildfires, taking into account the altitude and orientation , the type of the ground cover and other site-specific parameters. The research of thermal sensing conditions and the protection of these mountainous areas from wildfires is an imperative necessity. However, this type of research is extremely difficult, since the accessibility to a significant percentage of the mountainous areas is not easy and the collection of the necessary meteorological parameters for this purpose is very difficult or impossible. The purpose of this thesis was to develop methodologies for the calculation of the necessary meteorological parameters (air temperature and relative humidity) in difficult accessible mountainous areas or in locations where data are missing (radiation and wind speed) in order to be used for the exploitation and protection of these areas. The study took place in the national park of Ainos in Kefalonia, one of the most important of Greece, utilizing the data of an automatic meteorological station and installing ten additional autonomous meteorological recording instruments, of which five were placed on the northwest side (NW) and the rest on the difficult accessible southeast (SE) side of the mountain. The instruments were installed at different altitudes in both orientations, starting from 1100 and reaching 1580m. Data collection from these instruments, lasted three years (2011-2013). Temperature and relative air humidity were estimated at specific locations, on the SE side of Mount Ainos, based on measurements at corresponding altitude sites on the NW side. The above parameters were also estimated at higher altitude sites, using data from lower altitudes sites. For these estimates, the statistical method of simple linear regression was used. Finally, the temperature in both orientations was estimated using the monthly temperature gradient. The results of the estimates were validated using the coefficient of determination and the mean absolute error (MAE).Using the modified Portuguese DIPO index, with the measured and estimated thermohygrometric data, the meteorological fire risk was calculated at the points of the autonomous recording instruments of both orientations. Finally, in order to calculate the thermal sense index PET at the above points, two artificial neural networks (ANN), multilayer perceptron type (MLP), were developed using the thermohygrometric data of the aforementioned recording instruments in combination with temperature and relative air humidity, radiation and wind speed data, obtained from the automatic weather station. Subsequently, the PET index was determined from both the measured and the estimated thermohygrometric data of the locations of the survey points of both orientations. Processing of thermohygrometric data in the national park of Ainos, it was found that, with the exception of the positions of the highest altitude (1580m), the areas of northwest orientation in their majority exhibited lower values of both maximum and minimum air temperature than the corresponding areas of the same altitude of southeast orientation. This can be attributed to the influence of the northern winds, which had a decisive effect on the formation of these temperatures. The lower air temperature values observed on the northwest side lead to higher relative air humidity values. The differences in relative humidity values between the two orientations diminish with increasing altitude due to more intense exchange of air masses. The development and application of methods, based on simple linear regression, for the estimation of temperature and relative air humidity at specific locations which are difficult accessible, using thermometric and hygrometric data measured at locations which are easily accessible throughout the year, located at different orientation and altitudes, were found to be accurate and reliable. Also, by using the monthly temperature gradient it is possible to predict with fairly good accuracy the average daily air temperature, but this method lags behind that of simple linear regression since the latter estimates more accurately the spatiotemporal conditions of air temperature expressing the local and temporal relationships of the temperature data of the measuring points. The development of multilayer perceptron neural network models for the estimation of thermal sensation using the PET index from temperature and relative humidity data from the autonomous recording instruments installed on the southeast and northwest side of Mount Ainos at different altitudes in combination with the temperature and relative humidity, wind speed and solar radiation data of a permanently installed meteorological station gave good results, which reinforces the view that this methodology can be applied more widely in other mountainous areas of our country. From the spatiotemporal analysis of the estimated thermal sense conditions in the national park of Ainos it was found that it is suitable for visiting both in spring and summer and especially during the months of May and September. In particular, during this period below 1300m at the points of both the northwest and southeast side of the National Park the classes PET that prevail are those of comfortable and slightly cool, while it turned out that the best time of day for visiting the National Park are morning and afternoon. From the calculation of the meteorological index of fire risk , it was found that during the summer period in places where sparse vegetation prevails up to an altitude of 1300 m, the meteorological risk of fire ignition is high. It was also shown that in low altitude areas with sparse vegetation, the duration of the meteorological risk of fire ignition during extremely hot summer days can reach up to 14 hours during the 24-hour period. It is worth noting that the estimated thermohygrometric data obtained from the methodologies developed and used in this thesis are accurate and reliable. More specifically, after their utilization to determine the thermal sensation by applying the PET index, and to estimate the meteorological risk of fire ignition by applying the modified Portuguese DIPO index, it was found that similar results were obtained to those estimated by the use of thermohygrometric parameters measured at the same points. That is, the same meteorological fire risk and the same thermal sensation class categories were estimated when both measured and estimated air temperature and relative humidity values were used

Οι ορεινές περιοχές της χώρας μας αποτελούν πόλο έλξης επισκεπτών κατά τη θερινή περίοδο και ιδιαίτερα, όταν σ ’αυτές υπάρχει εθνικός δρυμός. Αυτό σημαίνει ότι η διερεύνηση στους χώρους αυτούς της αναμενόμενης θερμικής αίσθησης των επισκεπτών κατά περιοχή, εποχή και ώρα του εικοσιτετράωρου είναι σημαντική. Παράλληλα κυρίως για την ασφάλεια των επισκεπτών αλλά και την προστασία του περιβάλλοντος είναι απαραίτητη η διερεύνηση, κατά τη κρίσιμη θερινή περίοδο, του κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς λαμβάνοντας υπόψη το υψόμετρο και τον προσανατολισμό των θέσεων, τη μορφή της εδαφοκαλυψης και άλλες επιμέρους παραμέτρους. Η διερεύνηση των συνθηκών θερμικής αίσθησης και η προστασία των ορεινών αυτών περιοχών από τις πυρκαγιές αποτελούν επιβεβλημένη αναγκαιότητα. Όμως, αυτή η διερεύνηση είναι εξαιρετικά δύσκολη, δεδομένου ότι η προσβασιμότητα σε σημαντικό ποσοστό της επιφάνειας των ορεινών περιοχών δεν είναι εύκολη και η συλλογή των απαραίτητων για το σκοπό αυτό μετεωρολογικών παραμέτρων είναι πολύ δύσκολη έως αδύνατη. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογιών για τον προσδιορισμό των απαραίτητων μετεωρολογικών παραμέτρων (θερμοκρασία και σχετική υγρασία αέρα) σε δύσκολα προσβάσιμες ορεινές περιοχές ή σε θέσεις που έλειπαν δεδομένα (ακτινοβολία και ταχύτητα ανέμου) προκειμένου να χρησιμοποιηθούν στην αξιοποίηση και προστασία των περιοχών αυτών. Η μελέτη έγινε στον εθνικό δρυμό του Αίνου της Κεφαλονιάς ενός από τους σημαντικότερους της Ελλάδας, αξιοποιώντας τα δεδομένα ενός αυτόματου μετεωρολογικού σταθμού και εγκαθιστώντας επιπλέον δέκα αυτόνομα καταγραφικά μετεωρολογικά όργανα, εκ των οποίων τα πέντε τοποθετήθηκαν στη βορειοδυτική (ΒΔ) πλευρά και τα υπόλοιπα στη δύσκολα προσβάσιμη νοτιοανατολική (ΝΑ) πλευρά του όρους. Τα όργανα εγκαταστάθηκαν σε διαφορετικά υψόμετρα και στους δύο προσανατολισμούς, ξεκινώντας από τα 1100 και φτάνοντας τα 1580m. Η λειτουργία των οργάνων και η συλλογή δεδομένων, διήρκεσε τρία χρόνια (2011-2013). Από τα δεδομένα αυτά εκτιμήθηκε η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία αέρα σε συγκεκριμένες θέσεις της ΝΑ πλευράς του Αίνου, βασιζόμενοι στις μετρήσεις αντίστοιχου υψομέτρου της ΒΔ πλευράς. Επίσης έγινε εκτίμηση των προαναφερόμενων παραμέτρων σε θέσεις μεγαλύτερων υψομέτρων, χρησιμοποιώντας δεδομένα από χαμηλότερα υψόμετρα. Για τις εκτιμήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε η στατιστική μέθοδος της απλής γραμμικής παλινδρόμησης. Τέλος, η θερμοκρασία και στους δύο προσανατολισμούς εκτιμήθηκε και με τη χρήση της μηνιαίας θερμοβαθμίδας. Τα αποτελέσματα των εκτιμήσεων ελέγχθηκαν με τη χρήση του συντελεστή προσδιορισμού (R2) και του μέσου απόλυτου σφάλματος (ΜΑΕ). Από τα μετρηθέντα και εκτιμηθέντα θερμουγρομετρικά δεδομένα με εφαρμογή του τροποποιημένου ημερήσιου πορτογαλικού δείκτη DIPO εκτιμήθηκε ο μετεωρολογικός κίνδυνος έναρξης πυρκαγιάς στα σημεία εγκατάστασης των αυτόνομων καταγραφικών οργάνων και των δύο προσανατολισμών. Τέλος για να υπολογιστεί και ο δείκτης θερμικής αίσθησης PET στα προαναφερόμενα σημεία αναπτύχθηκαν δύο τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (TNN),τύπου πολυεπίπεδου perceptron (MLP), χρησιμοποιώντας τα θερμουγρομετρικά δεδομένα των προαναφερόμενων καταγραφικών οργάνων σε συνδυασμό με τα δεδομένα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας αέρα, ακτινοβολίας και ταχύτητας ανέμου από τον αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό. Στη συνέχεια έγινε προσδιορισμός του δείκτη PET τόσο από τα μετρηθέντα όσο και από τα εκτιμηθεντα θερμουγρομετρικά δεδομένα των θέσεων των σημείων έρευνας και των δύο προσανατολισμών. Από την επεξεργασία των θερμουγρομετρικών δεδομένων στον εθνικό δρυμό Αίνου διαπιστώθηκε ότι με εξαίρεση τις θέσεις του μεγαλύτερου υψομέτρου (1580m) οι περιοχές με βορειοδυτικό προσανατολισμό στην πλειονότητα τους παρουσίασαν μικρότερες τιμές τόσο της μέγιστης όσο και της ελάχιστης θερμοκρασίας αέρα από τις αντίστοιχες περιοχές του ίδιου υψομέτρου που είχαν νοτιοανατολικό προσανατολισμό. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην επίδραση των βορείων ανέμων, που λειτούργησαν καθοριστικά στη διαμόρφωση των θερμοκρασιών αυτών. Οι μικρότερες τιμές θερμοκρασίας αέρα που παρατηρούνται στη βορειοδυτική πλευρά διαμορφώνουν υψηλότερες τιμές σχετικής υγρασίας αέρα. Οι διαφορές στις τιμές της σχετικής υγρασίας μεταξύ των δύο προσανατολισμών μικραίνουν με την αύξηση του υψομέτρου λόγω εντονότερης ανταλλαγής αερίων μαζών. Από την ανάπτυξη και εφαρμογή μεθοδολογιών εκτίμησης της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας του αέρα από θερμομετρικά και υγρομετρικά δεδομένα ορισμένων θέσεων σε άλλες θέσεις διαφορετικού προσανατολισμού και υψομέτρου, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της απλής γραμμικής παλινδρόμησης διαπιστώθηκε ότι επιτυγχάνονται εκτιμήσεις με ακρίβεια και αξιοπιστία σε θέσεις όμοιου ή υψηλότερου υψομέτρου, οι οποίες είναι δύσκολα προσβάσιμες όλο τον χρόνο. Επίσης, κάνοντας χρήση της σταθερής μηνιαίας θερμοβαθμίδας είναι δυνατόν να προβλεφθεί με αρκετά καλή ακρίβεια η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα, όμως η μέθοδος αυτή υστερεί σε σχέση με αυτή της απλής γραμμικής παλινδρόμησης δεδομένου ότι η δεύτερη εκτιμά με μεγαλύτερη ακρίβεια τις χωροχρονικές συνθήκες της θερμοκρασίας αέρα εκφράζοντας τις τοπικές και χρονικές σχέσεις των θερμοκρασιακών δεδομένων των σημείων μέτρησης. Η ανάπτυξη μοντέλων τεχνητών νευρωνικών δικτύων πολυεπίπεδου perceptron για την εκτίμηση της θερμικής αίσθησης με χρήση του δείκτη PET από δεδομένα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας από τα αυτόνομα καταγραφικά όργανα που ήταν εγκαταστημένα στην νοτιοανατολική και βορειοδυτική πλευρά του Αίνου σε διαφορετικά υψόμετρα σε συνδυασμό με τα δεδομένα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας, ταχύτητας άνεμου και ηλιακής ακτινοβολίας ενός μόνιμα εγκατεστημένου μετεωρολογικού σταθμού έδωσε πολύ καλά αποτελέσματα, γεγονός που ενισχύει την άποψη ότι η μεθοδολογία αυτή μπορεί να έχει ευρύτερη εφαρμογή και σε άλλες ορεινές περιοχές της χώρας μας. Από την χωροχρονική ανάλυση των εκτιμηθέντων συνθηκών θερμικής αίσθησης στον εθνικό δρυμό Αίνου διαπιστώθηκε ότι αυτός είναι κατάλληλος για επίσκεψη τόσο την άνοιξη όσο και το καλοκαίρι και ιδιαίτερα κατά τους μήνες Μάιο και Σεπτέμβριο. Ειδικότερα, την χρονική αυτή περίοδο κάτω από τα 1300m στα σημεία τόσο της βορειοδυτικής όσο και της νοτιοανατολικής πλευράς του Εθνικού Δρυμού επικρατούν οι κλάσεις PET άνετο και ελαφρά δροσερό, ενώ αποδείχθηκε ότι οι καλύτερες ώρες για επίσκεψη στον Εθνικό δρυμό είναι οι πρωινές και απογευματινές. Από τον υπολογισμό του δείκτη του μετεωρολογικού κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς διαπιστώθηκε ότι κατά τους μήνες της θερινής περιόδου στα σημεία στα οποία επικρατεί αραιή βλάστηση μέχρι και το υψόμετρο των 1300 m o μετεωρολογικός κίνδυνος είναι υψηλός. Ακόμη καταδείχθηκε ότι σε σημεία χαμηλού υψομέτρου με αραιή βλάστηση η διάρκεια του μετεωρολογικού κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς κατά τις εξαιρετικά θερμές ημέρες του θέρους μπορεί να φτάσει και τις 14 ώρες κατά τη διάρκεια του 24ωρου. Αξίζει να σημειωθεί, ότι τα εκτιμώμενα θερμουγρομετρικά δεδομένα που προέκυψαν από τις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή είναι ακριβή και αξιόπιστα. Πιο συγκεκριμένα, μετά την αξιοποίηση τους τόσο στον προσδιορισμό της θερμικής αίσθησης με εφαρμογή του δείκτη PET, όσο και στην εκτίμηση του μετεωρολογικού κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς με εφαρμογή του τροποποιημένου πορτογαλικού δείκτη DIPO διαπιστώθηκε ότι προέκυψαν ανάλογα αποτελέσματα με αυτά που εκτιμήθηκαν από τη χρήση των μετρούμενων στα ίδια σημεία θερμοϋγρομετρικών παραμέτρων. Δηλαδή, εκτιμήθηκε η ίδια κλάση κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς και η ίδια κλάση θερμικής αίσθησης με παραπλήσια ποσοστά, όταν χρησιμοποιήθηκαν τόσο οι μετρούμενες όσο και οι εκτιμώμενες τιμές θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας αέρα.