Επίπτωση της κλιματικής αλλαγής στις συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου
Authors: Κιτσαρά Γιαννούλα 
Published: August 2021

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εκτίμηση της πυκνότητας ροής της λανθάνουσας θερμότητας στην ατμόσφαιρα με τη χρήση μοντέλων που χρησιμοποιούν ελάχιστες επίγειες ή δορυφορικές μετρήσεις και η σύνδεση των αλλαγών της με την κλιματική αλλαγή και με τη μειούμενη/αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας (φαινόμενο Global Dimming and Brightening, GDB). Η παρούσα μελέτη συμβάλει στον ανοιχτό, μέχρι τώρα, θεωρητικό προβληματισμό για την εναρμόνιση των τάσεων της εξάτμισης με τις τάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας ή της υγρασίας και του ανέμου. Για το λόγο αυτό έγινε εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤ) από το μοντέλο REMCT (Reference Evapotranspiration Model for Complex Terrains), μετά από την τοπική βαθμονόμηση του για τον Ελλαδικό χώρο, καθώς και εντοπισμός του φαινομένου GDB ευρύτερα στην Ελλάδα και ιδιαίτερα στην αστική περιοχή των Αθηνών. Επιπλέον έγινε διερεύνηση της εναρμόνισης της διαχρονικής πορείας της λανθάνουσας θερμότητας με τη μειούμενη/αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας και των πιθανών αιτίων του φαινομένου GDB (όπως, π.χ., η διαχρονική μεταβολή της συγκέντρωσης των αερολυμάτων, ή της νεφοκάλυψης, ή της υγρασίας στην ατμόσφαιρα) και αποτίμηση των επιπτώσεων του στις διαχρονικές αλλαγές της εξάτμισης από εξατμισίμετρα λεκάνης (Εpan) σε σύγκριση με τις επιδράσεις των διαχρονικών μεταβολών άλλων μετεωρολογικών παραμέτρων. Μετά τη διαπίστωση της ικανότητας του βαθμονομημένου μοντέλου REMCT να ενσωματώνει της επιδράσεις του φαινομένου GDB έγινε διερεύνηση της χρήσης του, για την πρόβλεψη των μελλοντικών τάσεων της ΕΤ με προβλέψεις περιοχικού κλιματικού μοντέλου και για την εκτίμηση της ΕΤ με δορυφορικά δεδομένα MODIS θερμοκρασίας επιφάνειας του εδάφους (LST) στην Ελλάδα.Αναλυτικότερα, έγινε ανάπτυξη αλγορίθμου υπολογισμού της ΕΤ πάνω από ανάγλυφο χρησιμοποιώντας μηνιαίες μετρήσεις βροχόπτωσης και θερμοκρασιών από το μοντέλο REMCT το οποίο λαμβάνει υπόψη χαρακτηριστικά, όπως το υψόμετρο και το κλίμα. Για τη βελτίωση των εκτιμήσεων του μοντέλου REMCT αναπτύχθηκε μεθοδολογία τοπικής βαθμονόμησης των παραμέτρων του, από τις μηνιαίες εκτιμήσεις της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith (ETPM) σε 29 σταθμούς του Ελλαδικού χώρου. Οι εκτιμήσεις του βαθμονομημένου μοντέλου (ΕΤDB) επαληθεύθηκαν με πειραματικές μετρήσεις Epan και το μοντέλο REMCT θεωρήθηκε κατάλληλο για τη διερεύνηση της διαχρονικής πορείας της ΕΤ για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους. Διερευνήθηκαν οι τάσεις της ΕΤDB στην Ελλάδα σε σύγκριση με τις τάσεις της διάρκειας ηλιοφάνειας (SD), ‘‘υποκατάστατου’’ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, στην Αθήνα. Εξηγήθηκε η διαχρονική πορεία της ΕΤDB με το φαινόμενο GDB στην Ελλάδα, δηλαδή η εναρμόνιση της με τη μειούμενη και τη μετέπειτα αυξανόμενη τάση της ηλιακής ακτινοβολίας.Το μοντέλο REMCT εφαρμόσθηκε με τοπικά βαθμονομημένες παραμέτρους επιπλέον στο σταθμό του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, όπου οι προβλέψεις του επαληθεύθηκαν από τις ETPM εκτιμήσεις και η απόδοση του ήταν πολύ καλή. Έγινε ιδιαίτερη διερεύνηση της παρουσίας του φαινομένου GDB στην αστικοποιημένη περιοχή της Αθήνας σε ετήσια και εποχική βάση και εντοπίσθηκαν οι υποπερίοδοι του. Περαιτέρω αναπτύχθηκε μεθοδολογία απομάκρυνσης ‘‘γραμμικής’’ επίδρασης της νεφοκάλυψης από τις μετρήσεις της SD (‘‘υποκατάστατου’’ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας) και διαπιστώθηκε η επίδραση (κατά κύριο λόγο) των αερολυμάτων στο φαινόμενο. Μελετήθηκαν οι τάσεις της ΕΤ από το μοντέλο REMCT για την περίοδο 1951-2001 και διαπιστώθηκε η εναρμόνιση των αλλαγών των ΕΤDB τάσεων με τις dimming/brightening περιόδους που εντοπίστηκαν.Περαιτέρω, έγινε διερεύνηση της παρουσίας του φαινομένου GDB και της διασύνδεσής του με την εξάτμιση από εξατμισίμετρα λεκάνης (Epan) ευρύτερα στον Ελλαδικό χώρο. Εξετάστηκαν τα αίτια του φαινομένου με έμφαση στις αλλαγές της συγκέντρωσης των αερολυμάτων, της νεφοκάλυψης (CL) και του υετίσιμου ύδατος (PW). Στη συνέχεια διερευνήθηκε η εναρμόνιση της διαχρονικής πορείας των ανωμαλιών της SD και των ‘‘υπολοίπων’’ της SD με αυτή των PW και CL ανωμαλιών, σύμφωνα με τις περιόδους dimming/brightening. Επίσης, οι επιπτώσεις του φαινομένου GDB στις αλλαγές της Εpan διερευνήθηκαν σε ετήσια και εποχική βάση, για τους σταθμούς και την περίοδο που ήταν διαθέσιμες οι μετρήσεις από τα εξατμισίμετρα λεκάνης. Υπολογίσθηκαν οι Εpan ανωμαλίες καθώς και οι ανωμαλίες παραμέτρων, όπως η SD, η ταχύτητα του ανέμου και το κοροπλήρωμα των υδρατμών με στόχο τη διερεύνηση των αιτίων των Εpan αλλαγών. Τα αποτελέσματα έδειξαν τις διακυμάνσεις της SD ως τον πιθανότερο παράγοντα που επηρεάζει τις αλλαγές της Epan στην Ελλάδα.Μετά τη διαπίστωση της ικανότητας του μοντέλου REMCT στην αποτύπωση του φαινομένου GDB, διερευνήθηκε η χρησιμοποίησή του στην πρόβλεψη μελλοντικών τάσεων της ΕΤ, αφού προηγουμένως εξετάσθηκαν ομοιότητες μεταξύ των μεγεθών και των τάσεων της Εpan και της ΕΤ, είτε από το μοντέλο REMCT ή τη μέθοδο Penman-Monteith σε μηνιαία, εποχική και ετήσια βάση. Ημερήσιες προβλέψεις θερμοκρασίας (Τ) και βροχόπτωσης (Ρ) από το περιοχικό κλιματικό μοντέλο Regional Atmospheric Climate MOdel (RACMO2) χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο REMCT για την εκτίμηση της ΕΤ σε 29 σταθμούς κατά την περίοδο ελέγχου (1979-2004). Έγινε χρήση της μεθόδου DBS (Distribution Based Scaling) για τη διόρθωση σφαλμάτων των Τ και Ρ προβλέψεων και οι διορθωμένες τιμές χρησιμοποιήθηκαν στην εκτίμηση της ETDB και των τάσεων της, τόσο κατά την περίοδο ελέγχου, όσο και κατά τη μελλοντική περίοδο (2011-2100). Αυξητικές τάσεις της ETDB προβλέφθηκαν και για τις δυο περιόδους.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας έγινε διερεύνηση της απόδοσης του μοντέλου REMCT σε σύγκριση με άλλα δύο μοντέλα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (Hargeaves-Samani και Droogers-Allen), τα οποία απαιτούν ελάχιστα δεδομένα εισόδου, ως εναλλακτικού τρόπου υπολογισμού της ΕΤ σε περιοχές με χαμηλή διαθεσιμότητα μετεωρολογικών δεδομένων. Έτσι, έγινε ανάκτηση και έλεγχος ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων MODIS θερμοκρασίας επιφανείας εδάφους κατά τη διάρκεια της ημέρας (LSTday) ή κατά τη διάρκεια της νύχτας (LSTnight), για 28 σημεία του Ελλαδικού χώρου κατά την καλλιεργητική περίοδο (Μάιος-Οκτώβριος) για τα έτη 2002, 2003 και 2004. Αρχικά, διερευνήθηκε η χρήση των δεδομένων LSTday ή LSTnight ως ‘‘αντιπροσωπευτικών’’ των επίγειων μετρήσεων της μέγιστης -Tmax ή ελάχιστης -Tmin θερμοκρασίας αέρα, αντίστοιχα και βρέθηκε πολύ καλή συμφωνία μεταξύ των MODIS LSTnight και Tmin. Στη συνέχεια, οι μέσες μηνιαίες LSTday ή LSTnight τιμές χρησιμοποιήθηκαν απευθείας ως δεδομένα εισόδου στα 3 επιλεγμένα μοντέλα υπολογισμού της ΕΤ αντικαθιστώντας τις αντίστοιχες επίγειες Tmax ή Tmin μετρήσεις. Οι εκτιμώμενες τιμές της ΕΤ από τις 3 μεθόδους με τη χρήση επίγειων και δορυφορικών δεδομένων αξιολογήθηκαν από συγκρίσεις με εκτιμήσεις ΕΤ που βασίζονται σε επίγεια μόνο δεδομένα από τις ίδιες μεθόδους και τις ΕΤΡΜ εκτιμήσεις και το μοντέλο REMCT έδειξε τα καλύτερα αποτελέσματα. Προκειμένου να επιτευχθούν ακριβέστερες εκτιμήσεις της μέγιστης θερμοκρασίας του αέρα και κατά συνέπεια και της ΕΤ, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Τemperature-Vegetation index (TVX) η οποία εφαρμόστηκε σε διάφορους σταθμούς στην Ελλάδα και αξιολογήθηκε σε διαφορετικές χρονικές περιόδους και περιοχές. Έγινε, έτσι, ανάκτηση και έλεγχος ημερήσιων δορυφορικών δεδομένων ανακλαστικότητας επιφανείας από τα δεδομένα MODIS, όπου και υπολογίστηκε ο ημερήσιος κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI). Η εκτίμηση της μέγιστης θερμοκρασίας αέρα έγινε με την παραδοχή ότι η Tmax ισούται με την επιφανειακή θερμοκρασία για βλάστηση πλήρους κάλυψης, οπότε και εκτιμήθηκε η τιμή του δείκτη βλάστησης πλήρους κάλυψης (NDVImax) στον Ελλαδικό χώρο. Επιπλέον, έγινε επιβεβαίωση των μηνιαίων εκτιμήσεων της μέγιστης θερμοκρασίας, από τη μέθοδο TVX σε χρονική βάση, η οποία και βελτίωσε αρκετά την ακρίβεια εκτίμησης των MODIS LSTday. Η μέθοδος επιβεβαιώθηκε και σε χωρική βάση χρησιμοποιώντας την εκτιμώμενη τιμή του NDVImax σε διαφορετικές περιοχές στην Ελλάδα βελτιώνοντας σε μικρό βαθμό την ακρίβεια εκτίμησης της μέγιστης θερμοκρασίας. Όταν οι εκτιμώμενες τιμές Tmax από την TVX μέθοδο χρησιμοποιήθηκαν στα μοντέλα ΕΤ, έδειξαν μικρή βελτίωση των εκτιμήσεων ΕΤ σε σύγκριση με τις εκτιμήσεις ΕΤ από τα απλά προϊόντα MODIS και με τις αντίστοιχες ETPM εκτιμήσεις. Η χρήση των δεδομένων MODIS LST στο μοντέλο REMCT φάνηκε ως μια χρήσιμη εναλλακτική λύση για μελλοντική χρήση.