Χωροχρονική προσομοίωση μετεωρολογικών παραμέτρων σε έντονο τοπογραφικό ανάγλυφο με χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων
Authors: Φιλιππόπουλος Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η χωρο-χρονική προσομοίωση μετεωρολογικών παραμέτρων με τη χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΔ) στην κοιλάδα των Χανίων στην Κρήτη, περιοχή που χαρακτηρίζεται από έντονο τοπογραφικό ανάγλυφο. Η διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη μοντέλων ΤΝΔ και στην επιλογή του κατάλληλου τύπου και αρχιτεκτονικής, αρχικά για τη συσχέτιση της συνοπτικής κλίμακας κυκλοφορίας με τις τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες και στη συνέχεια για τη χωρική και χρονική πρόγνωση της έντασης του ανέμου και της επιφανειακής θερμοκρασίας. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε έλεγχος της ικανότητας των μοντέλων ΤΝΔ ως προς το χωρο-χρονικό υποβιβασμό κλίμακας της επιφανειακής θερμοκρασίας. Η πρωτότυπη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για την ομαδοποίηση και την ταξινόμηση των ατμοσφαιρικών πεδίων βασίστηκε στην έννοια της ανταγωνιστικής μάθησης και στην προέκταση της χρήσης των Αυτο-Οργανούμενων Χαρτών (Self Organizing Maps - SOM). Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε για την επιφανειακή πίεση (MSLP) και το γεωδυναμικό ύψος στα 500hPa (GH500hPa) για συνοπτικής κλίμακας πλέγμα καθώς και των οριζόντιων συνιστωσών της ταχύτητας του ανέμου στα 10m και στο επίπεδο των 850hPa (U10m, V10m, U850hPa και V850hPa), της επιφανειακής θερμοκρασίας (T2m), της θερμοκρασίας δρόσου στα 2m (Td2m) και της ειδικής υγρασίας στο επίπεδο των 700hPa (SH700hPa) για πλέγμα κεντραρισμένο στην περιοχή της Ελλάδας. Τα δεδομένα πλέγματος εξήχθησαν από τη βάση ERA-Interim χωρικής ανάλυσης 0,75°×0,75°. Συνολικά αναγνωρίστηκαν 32 ατμοσφαιρικά πρότυπα, διατεταγμένα σε ένα χάρτη διάστασης 8×4 και κάθε πρότυπο συσχετίστηκε με τις τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες. Σημαντικό πλεονέκτημα της μεθοδολογίας είναι ότι τα κεντροειδή του κάθε προτύπου συνδέονται με τα γειτονικά τους, ενώ η θέση τους στο χάρτη σχετίζεται με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η εποχικότητα, η σχετική θέση των βαρομετρικών συστημάτων, η βαροβαθμίδα καθώς και η πιθανότητα μετάβασης με βήμα μιας ημέρας. Με τον τρόπο αυτό ανακτάται πολύτιμη πληροφορία σε σχέση με τη χρονική εξέλιξη των ατμοσφαιρικών διεργασιών. Η συγκριτική μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την εξέταση της ικανότητας των ΤΝΔ για τη χωρική παρεμβολή της έντασης του ανέμου και της θερμοκρασίας, κάνοντας χρήση των δεδομένων πειράματος πεδίου συνολικά έξι σταθμών, ανέδειξε τη στατιστικά σημαντικά καλύτερη προγνωστική ικανότητα των στατικών ΤΝΔ τύπου εμπρόσθιας τροφοδότησης με Συνάρτηση Ενεργοποίησης την Υπερβολική Εφαπτομένη (FFNN) σε σύγκριση με συνολικά πέντε γραμμικές μεθόδους χωρικής παρεμβολής και με τα ΤΝΔ Συναρτήσεων Βάσης Ακτινικού τύπου (RBF). Στην περίπτωση της έντασης του ανέμου η ανάλυση ανέδειξε τη σημαντική επίδραση της διεύθυνσης καθώς και την ύπαρξη σταθμού-αναφοράς με παρόμοια ανεμολογικά χαρακτηριστικά με το σταθμό-στόχο. Τα FFNN δεν χρησιμοποιήθηκαν ως μοντέλα ‘μαύρου κουτιού’ και αποδείχθηκε ότι μπορούν να ενσωματώνουν τη χωρική μεταβλητότητα της μέσης έντασης του ανέμου καθώς και την επίδραση της τοπογραφίας στην περίπτωση της θερμοκρασίας, αποτυπώνοντας με τον τρόπο αυτό τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ανεμολογικού και θερμοκρασιακού πεδίου της περιοχής. Τα μοντέλα FFNN προτείνονται για τη χρήση τους σε επιχειρησιακό επίπεδο στο πλαίσιο της μεθοδολογίας Measure – Correlate – Predict σε εφαρμογές αιολικής ενέργειας. Σχετικά με την πρόγνωση των υπό μελέτη παραμέτρων χρησιμοποιήθηκαν ωριαία δεδομένα από ένα σταθμό και τα δυναμικά μη-γραμμικά Αυτοπαλίνδρομα Δίκτυα (NAR). Η συγκριτική μελέτη που πραγματοποιήθηκε για διάφορους βαθμούς ανατροφοδότησης (6, 12 και 24 ώρες) ανέδειξε τη σημασία της υψηλής τάξης του βαθμού ανάδρασης που οδηγεί σε αύξηση του χρονικού ορίζοντα ασφαλούς πρόγνωσης. Αποδείχθηκε ότι τα μοντέλα αυτά στην περίπτωση του ανέμου μπορεί να χρησιμοποιηθούν στο πλαίσιο βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης, ενώ αντίθετα στην περίπτωση της θερμοκρασίας έως και για μεσοπρόθεσμη. Επίσης εντοπίστηκε εποχικότητα στο προγνωστικό σφάλμα καθώς και συσχέτιση των υψηλότερων τιμών του με ατμοσφαιρικές καταστάσεις που συνδέονται με κέντρα χαμηλών πιέσεων στη βόρεια Ευρώπη ή στη Μεσόγειο.Τα μοντέλα ΤΝΔ που σχεδιάστηκαν για το χωρο-χρονικό υποβιβασμό κλίμακας της επιφανειακής θερμοκρασίας, αποτελούνται από το συνδυασμό έξι μεμονωμένων δικτύων τύπου FFNN, ένα για κάθε χρονικό ορίζοντα πρόβλεψης. Μελετήθηκε η ικανότητά τους να αναπαραγάγουν με ικανοποιητική ακρίβεια τις ωριαίες παρατηρήσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας σε ένα σταθμό από τα δεδομένα πλέγματος της βάσης ERA-Interim χρονικής ανάλυσης 6 ωρών. Η σύγκριση του μοντέλου που χρησιμοποιεί ποικιλία από μεταβλητές-προγνώστες (T2m, T850hPa, U10m, U850hPa, V10m, V850hPa, SH1000hPa, SH700hPa, GH500hPa, MSLP και η Td2m) με το μοντέλο που κάνει χρήση μόνο της επιφανειακής θερμοκρασίας (T2m) ανέδειξε τη στατιστικά σημαντικά καλύτερη προγνωστική του ικανότητα. Αποδείχθηκε ότι οι σημαντικότερες μεταβλητές – προγνώστες σχετίζονται με την επιφάνεια και είναι η T2m, οι συνιστώσες του ανέμου U10m και V10m, η SH1000hPa και η MSLP. Το προγνωστικό σφάλμα παρουσιάζει επίσης εποχικότητα και οι μεγαλύτερες τιμές του εντοπίζονται κατά τη διάρκεια της άνοιξης και για τα υφεσιακά ατμοσφαιρικά πρότυπα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναδεικνύει τη σημαντική χρησιμότητα και την ιδιαίτερα ικανοποιητική επίδοση των ΤΝΔ στους τομείς της εφαρμοσμένης κλιματολογίας και μετεωρολογίας καθώς και σε μελέτες αιολικής ενέργειας. Τέλος, η επιλογή του κατάλληλου τύπου ΤΝΔ σε συνδυασμό με τον καθορισμό της βέλτιστης αρχιτεκτονικής του, αποτελεί τον κρίσιμο παράγοντα για τη βέλτιστη απόδοση των μοντέλων.