Μελέτη της ανάπτυξης και βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης convective συστημάτων στον Ελλαδικό χώρο

Abstract

This thesis investigates the short-term forecasting (nowcasting) of convective phenomena over Greece by systematically using weather radar observations both as a standalone source of information and as input to a numerical weather prediction (NWP) system. The work was motivated by the catastrophic supercell that struck Chalkidiki, Greece on 10 July 2019, one of the most severe convective events on record in Greece, which neither global nor limited-area operational models were able to capture in terms of intensity or timing. The case exposed two fundamental limitations in operational forecasting: the inability of NWP initial conditions to represent rapidly developing deep convection over complex terrain, and the absence of a methodological framework that systematically uses the Hellenic radar network for short-term forecasting. To address these limitations, the thesis develops and evaluates an integrated methodology built on four interconnected components. A combined Doppler velocity dealiasing algorithm is first designed for the low Nyquist velocities of the Greek operational radars, providing a prerequisite for the analyses that follow. A radar-only nowcasting methodology is then applied to five convective cases spanning distinct synoptic regimes (cold-frontal passages, cyclonic depressions and thermal instability) to characterize storm motion and vertical structure independently of any NWP model. In parallel, the background error covariance statistics (which are essential for data assimilation) for the Greek domain are computed through the NMC method, and three control-variable configurations (CV5, CV6, CV7) are systematically compared to identify the most appropriate parameterization for convective phenomena over complex orography. Finally, radar reflectivities and radial velocities are assimilated into the WRF model through 3D-VAR and 4D-VAR, using the Chalkidiki supercell as the central test case. The results show that storm motion is a physical process distinct from the ambient wind field, consistently differing in both magnitude and direction across all five cases examined. The CV6 (moisture-sensitive) configuration is identified as optimal for convective applications over complex terrain, while among the assimilation experiments cycling 3D-VAR emerges as the only method that simultaneously improves the forecast of reflectivity, cloud-top height and precipitation, at a computational cost compatible with real-time operational use. The thesis provides the first systematic evaluation of combined radar nowcasting and data assimilation over Greece, laying the groundwork for operational use of the Hellenic radar network by the Hellenic National Meteorological Service.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη βραχυπρόθεσμη πρόγνωση (nowcasting) φαινομένων ανωμεταφοράς (convection) στον ελλαδικό χώρο, μέσω της συστηματικής αξιοποίησης παρατηρήσεων μετεωρολογικών radar, τόσο ως αυτόνομη πηγή πληροφορίας όσο και ως δεδομένων προς αφομοίωση σε σύστημα αριθμητικής πρόγνωσης καιρού. Το κίνητρο της έρευνας προέκυψε από το καταστροφικό supercell που έπληξε τη Χαλκιδική στις 10 Ιουλίου 2019, ένα από τα πιο ακραία convective γεγονότα που έχουν καταγραφεί στην Ελλάδα, για το οποίο η πρόγνωση μέσω αριθμητικών μοντέλων καιρού δεν κατάφερε να αποτυπώσει επαρκώς ως προς την ένταση και τον χρόνο εκδήλωσης. Το συγκεκριμένο γεγονός ανέδειξε δύο θεμελιώδεις αδυναμίες, αφενός την ανεπάρκεια των αρχικών συνθηκών των αριθμητικών μοντέλων να αποτυπώσουν τη ραγδαία ανάπτυξη έντονου convection πάνω από σύνθετο ανάγλυφο και αφετέρου την απουσία μεθοδολογίας που να αξιοποιεί συστηματικά το ελληνικό δίκτυο radar για σκοπούς βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω, αναπτύσσεται και αξιολογείται ολοκληρωμένη μεθοδολογία τεσσάρων αλληλοσυνδεόμενων συνεισφορών. Αρχικά, σχεδιάζεται συνδυαστικός αλγόριθμος αποσφαλμάτωσης ακτινικών ταχυτήτων Doppler (velocity dealiasing), προσαρμοσμένος στις χαμηλές ταχύτητες Nyquist του ελληνικού επιχειρησιακού δικτύου radar, που αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για κάθε επόμενη εφαρμογή. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μεθοδολογία βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης βασισμένη αποκλειστικά σε δεδομένα radar, σε πέντε convective περιπτώσεις που καλύπτουν τρεις διαφορετικούς συνοπτικούς μηχανισμούς (ψυχρά μέτωπα, κυκλωνικές υφέσεις και θερμική αστάθεια) για τον χαρακτηρισμό της κίνησης και της κατακόρυφης δομής των καταιγίδων ανεξάρτητα από οποιοδήποτε αριθμητικό μοντέλο. Παράλληλα, υπολογίζονται τα στατιστικά σφαλμάτων υποβάθρου για τον ελλαδικό χώρο, τα οποία είναι απαραίτητα για την αφομοίωση δεδομένων, μέσω της μεθόδου NMC, και συγκρίνονται συστηματικά τρεις διαμορφώσεις μεταβλητών ελέγχου (CV5, CV6, CV7), με στόχο τον προσδιορισμό της πλέον κατάλληλης παραμετροποίησης για convective φαινόμενα στον ελλαδικό χώρο. Τέλος, ενσωματώνονται ανακλαστικότητες και ακτινικές ταχύτητες radar στο μοντέλο WRF μέσω των μεθόδων 3D-VAR και 4D-VAR, έχοντας στο επίκεντρο την περίπτωση του supercell της Χαλκιδικής. Τα αποτελέσματα τεκμηριώνουν ότι η κίνηση των καταιγίδων αποτελεί διακριτή φυσική διεργασία από το πεδίο ανέμου, με συστηματικές αποκλίσεις τόσο ως προς το μέτρο όσο και ως προς τη διεύθυνση και στις πέντε εξεταζόμενες περιπτώσεις. Η διαμόρφωση CV6 (έχοντας βάση τις συσχετίσεις της υγρασίας) αναδεικνύεται ως η βέλτιστη για εφαρμογές αφομοίωσης σε convective φαινόμενα πάνω από σύνθετο ανάγλυφο, ενώ μεταξύ των πειραμάτων αφομοίωσης η κυκλική αφομοίωση δεδομένων μέσω 3D-VAR αποδεικνύεται η μοναδική μέθοδος που βελτιώνει ταυτόχρονα την πρόγνωση ανακλαστικότητας, ύψους κορυφών νεφών και υετού, με υπολογιστικό κόστος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιχειρησιακά. Η διατριβή αποτελεί την πρώτη συστηματική αξιολόγηση συνδυαστικής μεθοδολογίας βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης και αφομοίωσης δεδομένων radar για τον ελλαδικό χώρο, παρέχοντας επιστημονικά τεκμηριωμένη βάση για τη μελλοντική επιχειρησιακή αξιοποίηση του ελληνικού δικτύου radar από την Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία.