Προσομοίωση Θερμικής Αστάθειας
Η προσομοίωση της ατμόσφαιρας είναι μια αρκετά απαιτητική διαδικασία λόγω της χαοτικής φύσης της ατμόσφαιρας. Τα αποτελέσματα μπορεί να διαφέρουν λιγότερο ή περισσότερο σε σχέση με τις πραγματικές συνθήκες για διάφορους λόγους. Οι κυριότεροι δύο είναι: 1. Η ελλιπής γνώση των αρχικών συνθηκών στην ατμόσφαιρα (initial conditions) 2. Το είδος των υπολογισμών που πραγματοποιούνται (μερικές διαφορικές εξισώσεις). Εφ’όσον η λύση τους δεν είναι αναλυτική, απαιτούνται κατάλληλοι μετασχηματισμοί ώστε να γίνει εφικτό, διαδικασία που μπορεί να εισάγει σφάλματα.
Συνακολούθως και η παραμετροποίηση ενός προγνωστικού μοντέλου πρέπει να γίνεται προσεκτικά λαμβάνοντας υπόψιν: 1. Τα χαρακτηριστικά της περιοχης, 2. Το είδος των συνθηκών που ενδιαφερόμαστε περισσότερο να προσομοιώσουμε [1] και 3. Τη διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ.
Το προγνωστικό σύστημα του °Umeteo λειτουργεί από τον Απρίλιο 2020 και αναπτύχθηκε σε συνεργασία με το δήμο Διστόμου-Αράχωβας-Αντίκυρας και την ιστοσελίδα https://arachovameteo.gr . Το σύστημα αποτελεί μια παραμετροποίηση του μοντέλου WRF-ARW V4.1.4 [2] με στόχο την γενική πρόγνωση του καιρού σε 3 περιοχές με διαφορετικές οριζόντιες αναλύσεις: Μεσόγειος (25km) – Ελλάδα (5km) – Παρνασσός (1km).
Η θερμική αστάθεια της ατμόσφαιρας είναι μια κατάσταση που μπορεί να προκύψει λόγω της μεγάλης διαφοράς θερμοκρασίας καθ’ύψος. Εάν η διαφορά αυτή υπερβεί μια συγκεκριμένη τιμή (9.8ºC / 1000m) τότε η ατμόσφαιρα είναι απολύτως ασταθής και έχει ως αποτέλεσμα τις ανοδικές κινήσεις και τις περισσότερες φορές τη δημιουργία νεφώσεων κατακόρυφης ανάπτυξης, τις μπόρες (όμβρους) και τις καταιγίδες. Οι συνθήκες αυτές προκύπτουν συνήθως τις θερμές ώρες μιας καλοκαιρινής ημέρας εάν ταυτόχρονα με την έντονη θέρμανση των επιφανειακών στρωμάτων του αέρα υπάρχουν αρκετά ψυχρότερες αέριες μάζες στα υψηλότερα τροποσφαιρικά στρώματα. Παρόμοιες συνθήκες μπορεί να προκύψουν και στις μετωπικές ζώνες οργανωμένων συστημάτων τη χειμερινή περίοδο κυρίως πάνω από θαλάσσιες επιφάνειες (οι οποίες είναι θερμότερες).[3]
Τα φαινόμενα θερμικής αστάθειας είναι αρκετά δύσκολο να προσομοιωθούν κυρίως γιατί οι περιοχές έναρξης των ανοδικών κινήσεων εμφανίζουν μια σχετική τυχαιότητα στο χώρο και πραγματοποιούνται αρχικά σε κλίμακα μικρότερη της οριζόντιας ανάλυσης των προσομοιώσεων. Επιπροσθέτως η ένταση των ανοδικών κινήσεων εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους (θερμοχωρητικότητα και ανακλαστικότητα) αλλά και το ανάγλυφο (ορεινές περιοχές τείνουν να αποτελούν περιοχές έναρξης). Εν συνεχεία, η οργάνωση των καταιγίδων και η χωρική και χρονική εξέλιξή τους είναι επίσης ένα χαοτικό φαινόμενο που αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του και την υπόλοιπη ατμόσφαιρα.
Στα παρακάτω σχήματα απεικονίζεται η δορυφορική εικόνα της χώρας μας στο φάσμα του υπέρυθρου (σχήμα 1) και η προσομοίωσή της από το μοντέλο του °Umeteo μέσω της εξερχόμενης μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας [4] (Outgoing Longwave Radiation – OLR) (σχήμα 2).
Συγκρίνοντας την πραγματικότητα με την προσομοίωση παρατηρούμε πως η γενική κατάσταση (περιοχές νεφοποίησης) απεικονίζεται με αρκετά μεγάλη ακρίβεια. Σε αρκετές περιπτώσεις το σύστημα κατάφερε να προσομοιώσει και μεμονωμένες καταιγίδες, οι οποίες έχουν το χαρακτηριστικό κυκλικό σχήμα στις υπέρυθρες δορυφορικές εικόνες.
Εκτός της νεφικής προσομοίωσης όμως, διαπιστώνεται μέσω των χαρτών που υπάρχουν επίσης διαθέσιμοι στην ιστοσελίδα μας ότι και ο υετός (βροχή, χαλάζι), προβλέφθηκε επίσης σε ρεαλιστικά επίπεδα.
Σαββατοκύριακο πολύ έντονης αστάθειας (17-18 Ιουνίου 2023)
Στην παρακάτω εικόνα του σχήματος 3, απεικονίζεται ο συνολικός υετός για το διάστημα από τις 15:00 της Παρασκευής 16/6/2023 έως τις 15:00 της Δευτέρας 19/6/2023.
Παρατηρείται ότι για το προαναφερθέν διάστημα προβλέπονται βροχές στο σύνολο σχεδόν της ηπειρωτικής χώρας, στα κεντρικά, τα ανατολικά και τα βόρεια τμήματα του Αιγαίου αλλά και σε περιοχές των Κυκλάδων και της Κρήτης γεγονός σπάνιο αυτήν την περίοδο του έτους. Προβλέπονται ύψη βροχής που ενδέχεται να ξεπεράσουν και τα 128mm και σε πολλά σημεία τα 64mm, με χαρακτηριστική την περίπτωση της ανατολικής και της νότιας Εύβοιας.
Στην επόμενη κινούμενη εικόνα (gif) του σχήματος 4, απεικονίζεται η εξέλιξη των φαινομένων για το ίδιο διάστημα (Παρασκευή 16/6 – 15:00 με Δευτέρα 19/6 – 15:00).
Σύνοψη
Τα φαινόμενα θερμικής αστάθειας (καταιγίδες) είναι μια από τις δυσκολότερες περιπτώσεις προσομοίωσης λόγω των πολύπλοκων διεργασιών που λαμβάνουν χώρα μέσα στην ατμόσφαιρα. Το μοντέλο του °Umeteo, κατάφερε να αποτυπώσει με ακρίβεια τις περιοχές εκδήλωσης των φαινομένων την ώρα της μέγιστης έντασής τους όσον αφορά την Παρασκευή 16/6, ενώ ταυτόχρονα προβλέπει συνέχισή τους τόσο σήμερα Σάββατο 17/6, όσο και την Κυριακή 18/6 ακόμη και σε περιοχές όπου αυτήν την περίοδο εμφανίζονται σπάνια.
Πηγές – Παραπομπές – Σημειώσεις
[1] – Διαφορετικές παραμετροποιήσεις θα γίνουν εάν για παράδειγμα ενδιαφερόμαστε περισσότερο για την πρόγνωση της ηλιακής ακτινοβολίας ή την πρόγνωση του ανέμου σε μικρή κλίμακα, καθώς σε αυτές τις περιπτώσεις θα ενεργοποιήσουμε τα κατάλληλα σχήματα φυσικής στο μοντέλο μας.
[2] – Αναλυτικές πληροφορίες για το μοντέλο WRF-ARW: https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/
[3] – Σχετικά με την ύπαρξη απολύτως ασταθών συνθηκών στην ατμόσφαιρα, χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του σταθμού του Ελληνικου στα νότια προάστια της Αθήνας. Στην εικόνα απεικονίζονται οι τιμές της θερμοκρασίας και του σημείου δρόσου (τιμή της θερμοκρασίας όπου έχουμε συμπύκνωση των υδρατμών, δηλαδή νέφη) καθ’ύψος όπως τις λαμβάνουμε από μια ραδιοβόληση (sounding).
Στον οριζόντιο άξονα σημειώνονται οι θερμοκρασίες και στον κάθετο οι τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης σε hpa/mb και τα αντίστοιχα υψόμετρα.
Παρατηρώντας πιο προσεκτικά, διαπιστώνουμε ότι έως και περίπου τα πρώτα 1500μ από την επιφάνεια, η θερμοκρασία οντως πέφτει κατά περίπου 10C / 1000μ, ρυθμός ο οποίος στη συνέχεια επιβραδύνεται από το ύψος που υποδεικνύεται με το κόκκινο βέλος. Από εκεί και μέχρι περίπου τα 3000μ, η θερμοκρασία ταυτίζεται με το σημείο δρόσου και άρα έχουμε τη δημιουργία νεφώσεων. Στην περιοχή που υποδεικνύεται με το πράσινο κύκλο επικρατεί ένα στρώμα ευστάθειας εντός του οποίου μάλιστα υπάρχει και ένα μικρό στρώμα θερμοκρασιακής αναστροφής . Αυτή περιοχή αναφέρεται συχνά και ως “καπάκι” διότι ανακόπτει (προσωρινά) τις ανοδικές κινήσεις εγκλωβίζοντας την ενέργεια χαμηλότερα. Πάνω από αυτήν, η θερμοκρασία επιστρέφει εκ νέου στον αρχικό ρυθμό πτώσης της έως και περίπου τα 10.000m ύψος όπου πλέον σταματάει (είναι το όριο της τροπόσφαιρας).
Ο ρυθμός πτώσης της θερμοκρασίας καθ’ύψος δεν είναι ποτέ ομοιόμορφος και συχνα εμφανίζονται περιοχές με διαφορετικό προφίλ. Η περίπτωση του Ελληνικού, αναφέρεται συχνά και ως “loaded gun” και αποτελεί χαρακτηριστικό σημάδι δυνητικά ισχυρών φαινομένων λόγω του “καπακιού”. Περισσότερες πληροφορίες εδώ (είναι η πρώτη περίπτωση): https://blog.weather.us/common-severe-weather-soundings-explained/
[4] – Περισσότερες πληροφορίες για την παράμετρο της εξερχόμενης μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας και την σημασία της στον ιστότοπο του Εθνικού Κέντρου Περιβαλλοντικής Πληροφορίας (NCEI) των ΗΠΑ: https://www.ncei.noaa.gov/products/climate-data-records/outgoing-longwave-radiation-daily