Development and application of assimilation techniques of hydrometeorological remotely-sensed data in meteorological and land-surface models
Authors: Σερπετζόγλου Ευθύμιος 
Published: September 2021

Η διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη του ηπειρωτικού υδάτινου κύκλου και συνδυάζει προηγμένα εδαφικά και ατμοσφαιρικά μοντέλα με δεδομένα τηλεπισκόπισης για τη διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διεργασιών του υδάτινου κύκλου που πραγματοποιούνται κάτω από την επιφάνεια της γης, στην επιφάνεια της αλλά και στο ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα. Το πρώτο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει τη μελέτη διάδοσης του σφάλματος που χαρακτηρίζει τα δεδομένα βροχόπτωσης από τηλεπισκόπιση στα πεδία εδαφικής υγρασίας που προσομοιώνονται από ένα προηγμένο εδαφικό μοντέλο. Η μελέτη διευκολύνει την εις βάθος διερεύνηση και σύγκριση δύο σημαντικών πηγών σφάλματος στην προσομοίωση των ιδιοτήτων της επιφανειακής εδαφικής κατάστασης σε περιοχική κλίμακα, δηλαδή το σφάλμα που οφείλεται στις εκτιμήσεις βροχόπτωσης και το σφάλμα που προκαλείται από τις εσωτερικές παραμετροποιήσεις του μοντέλου. Μέσω αυτής της ανάλυσης ευαισθησίας, επιτυγχάνεται επίσης η σύγκριση των επιδόσεων τριών σημαντικών συνόλων δεδομένων βροχόπτωσης από τηλεπισκόπιση (NEXRAD, TRMM και CMORPH) καθώς και η αξιολόγηση των επιδόσεων του προηγμένου εδαφικού μοντέλου (CLM3.5). Το δεύτερο μέρος της διατριβής διερευνά την αλληλεπίδραση μεταξύ των επιφανειακών υδάτων (ποτάμια, λίμνες κ.λπ.) και των υποκείμενων υπόγειων υδάτων, επίσης σε περιοχική και εποχική κλίμακα. Η μελέτη βελτιώνει την παραμετροποίηση του CLM3.5 ως προς τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ επιφανειακών και υπόγειων υδάτων (προσέγγιση TOPMODEL), λαμβάνοντας υπόψη τη διήθηση των επιφανειακών υδάτων στα υπόγεια ύδατα που δεν συνυπολογιζόταν μέχρι τώρα. Τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντική βελτίωση στις προσομοιώσεις των πεδίων εδαφικής υγρασίας και άλλων επιφανειακών εδαφικών παραμέτρων στις περιοχές που περιλαμβάνουν μεγάλους ποταμούς ή γύρω από αυτούς. Και οι δύο προαναφερόμενες αναλύσεις παρουσιάζουν παρεμφερή κλιματολογικά χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα, τόσο οι στατιστικές αναλύσεις των σφαλμάτων στο CLM όσο και η νέα παραμετροποίηση αλληλεπίδρασης μεταξύ ποταμών και υπόγειων υδάτων εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες υγρασίας που επικρατούν κατά την περίοδο των προσομοιώσεων (καλύτερα αποτελέσματα στις περιπτώσεις υγρών περιοχών και περιόδων). Το τρίτο μέρος της διατριβής πραγματεύεται την ανάπτυξη και εφαρμογή μιας νέας τεχνικής αφομοίωσης δεδομένων βροχόπτωσης από τηλεπισκόπιση στα εδαφικά σχήματα προηγμένων μετεωρολογικών μοντέλων. Η τεχνική αφομοίωσης αξιολογείται για δύο διαφορετικά προηγμένα συστήματα πρόγνωσης καιρού (συστήματα POSEIDON και WRF) σε δύο διαφορετικές ηπειρωτικές περιοχές (ΗΠΑ και Ευρώπη, αντίστοιχα) με χρήση δύο διαφορετικών πηγών δεδομένων βροχόπτωσης για την εισαγωγή στο εδαφικό σχήμα (NEXRAD και CMORPH, αντίστοιχα). Αποδεικνύεται ότι η τεχνική βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα πρόγνωσης βροχοπτώσεων, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις έντονων καταιγιδοφόρων συστημάτων. Επιπλέον, πραγματοποιείται ενδελεχής μελέτη των αντίστοιχων ανατροφοδοτήσεων που οδηγεί στην καλύτερη κατανόηση των σύνθετων διεργασιών αλληλεπίδρασης μεταξύ εδάφους και ατμόσφαιρας.