Αντικειμενικός ορισμός και μεταβλητότητα των εποχών στην περιοχή της Μεσογείου
Authors: Κώτσιας Γεώργιος 
Published: November 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια εκτεταμένη προσπάθεια αντικειμενικού ορισμού των εποχών για την περιοχή της Μεσογείου κατά την περίοδο 1949-2018 με τη χρήση πολλαπλών μεθόδων. Στόχος αυτής της ερευνητικής προσπάθειας είναι η δημιουργία ενός “νέου” ορισμού των εποχών, διαφορετικού από το συμβατικό, βασισμένου σε αντικειμενικά κριτήρια. Ακόμα, διερευνώνται πιθανές αλλαγές στα κύρια χαρακτηριστικά των εποχών (ημερομηνίες έναρξης/λήξης και διάρκεια) κατά την 70ετή περίοδο μελέτης. Στο πρώτο τμήμα της διατριβής ο ορισμός των εποχών επιτυγχάνεται μέσω της μελέτης της μέσης ενδοετήσιας πορείας 12 μετεωρολογικών παραμέτρων. Τα δεδομένα ελήφθησαν από την βάση δεδομένων NCEP/NCAR και αφορούν ημερήσιες τιμές (12UTC) των εξής παραμέτρων: ρυθμός υετού, ρυθμός ανωμεταφορικού υετού, θερμοκρασία στα 2 μέτρα από την επιφάνεια της γης, ολική νεφοκάλυψη, ζωνική και μεσημβρινή συνιστώσα του ανέμου στα 10 μέτρα από την επιφάνεια της γης, γεωδυναμικά ύψη των ισοβαρικών επιφανειών των 500hPa και των 1000hPa, θερμοκρασία στις ισοβαρικές επιφάνειες 500hPa και 850hPa, ειδική υγρασία της ισοβαρικής επιφάνειας των 850hPa και υετίσιμο ύδωρ. Αρχικά, υπολογίζονται οι μέσες ενδοετήσιες διακυμάνσεις των παραπάνω παραμέτρων και στη συνέχεια εφαρμόζεται η Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis, PCA), προκειμένου να μειωθεί ο μεγάλος όγκος των δεδομένων, και η Ανάλυση κατά Συστάδες των k-μέσων (k-mean Cluster Analysis) στις χρονοσειρές των Κύριων Συνιστωσών ώστε να γίνει η ομαδοποίηση των ημερομηνιών του έτους με παρόμοια μοτίβα των παραπάνω παραμέτρων. Οι ομάδες ημερομηνιών που προκύπτουν μπορούν να θεωρηθούν ως οι αντικειμενικά ορισμένες εποχές. Η μέθοδος αυτή, η οποία ονομάζεται Meteorological Variables mean intra-annual Variation method (MVV), εφαρμόζεται ξανά και για τις πέντε επικαλυπτόμενες 30ετείς υποπεριόδους: 1949-1978, 1959-1988, 1969-1998, 1979-2008 και 1989-2018, με σκοπό τη διερεύνηση πιθανών μακροπρόθεσμων αλλαγών των χαρακτηριστικών των εποχών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ορίζονται 4 εποχές για όλες τις περιόδους. Αν και αυτές οι εποχές αντιστοιχούν στις 4 συμβατικές εποχές, υπάρχουν διαφορές στις ημερομηνίες έναρξης/λήξης και στη διάρκειά τους. Σύμφωνα με τη μέθοδο MVV, ο χειμώνας διαρκεί περίπου 4 μήνες, η άνοιξη και το θέρος λίγο λιγότερο από 3 μήνες και το φθινόπωρο διαρκεί περίπου 2,5 μήνες. Οι πιο αξιοσημείωτες μακροπρόθεσμες αλλαγές των χαρακτηριστικών των εποχών είναι: i) η μείωση της διάρκειας του χειμώνα και της άνοιξης λόγω καθυστέρησης της έναρξής τους και ii) η παράταση του φθινοπώρου λόγω καθυστέρησης της λήξης του. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, υιοθετείται μια άλλη μέθοδος αντικειμενικού ορισμού των εποχών, η οποία βασίζεται στον ορισμό των τύπων καιρού (Weather Types, WTs). Οι μετεωρολογικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο αυτή είναι οι ίδιες με αυτές της μεθόδου MVV χωρίς όμως να λαμβάνονται υπόψιν οι δύο παράμετροι του υετού. Αρχικά, εφαρμόζονται η PCA και η CA στις ημερήσιες τιμές των παραμέτρων της 70ετούς περιόδου 1949-2018 και σχηματίζονται ομάδες των οποίων οι ημερομηνίες παρουσιάζουν κοινά συνοπτικά χαρακτηριστικά. Κάθε μία από αυτές τις ομάδες αποτελεί έναν Τύπο Καιρού (WT). Συνεπώς, ορίζονται 8 WTs και μελετώνται τα χαρακτηριστικά τους, συμπεριλαμβανομένων των συνοπτικών συνθηκών που κυριαρχούν και των μηνιαίων και ετήσιων κατανομών των συχνοτήτων τους. Στη συνέχεια, η PCA και η CA εφαρμόζονται ξανά, αλλά αυτή τη φορά στις ενδοετήσιες διακυμάνσεις των συχνοτήτων των WTs. Ως αποτέλεσμα, οι ημερομηνίες εντός του έτους οι οποίες παρουσιάζουν παρόμοια κατανομή συχνοτήτων των 8 WTs ταξινομούνται σε ομάδες οι οποίες αποτελούν τις αντικειμενικά ορισμένες εποχές. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, η οποία ονομάζεται Weather Types’ Frequency method (WTF), ο χειμώνας και το θέρος διαρκούν περίπου από 4 μήνες και η άνοιξη και το φθινόπωρο περίπου από 2 μήνες. Οι σημαντικότερες διαχρονικές αλλαγές στα όρια και στη διάρκεια των εποχών που προκύπτουν από τη μέθοδο WTF είναι: i) η σμίκρυνση του χειμώνα και της άνοιξης στις πιο πρόσφατες περιόδους, που σχετίζεται με αργότερες ημερομηνίες έναρξης και γρηγορότερες ημερομηνίες λήξης, αντίστοιχα, και ii) η παράταση του φθινοπώρου και του θέρους, λόγω καθυστέρησης της λήξης, και γρηγορότερης έναρξης και καθυστερημένης λήξης, αντίστοιχα. Κατά το τρίτο τμήμα της διατριβής, ο ορισμός των εποχών γίνεται μέσω της μελέτης των υφέσεων και των τροχιών τους, οι οποίες επηρεάζουν την περιοχή της Μεσογείου. Η ανάλυση πραγματοποιείται αξιοποιώντας δεδομένα πίεσης στη μέση στάθμη της θάλασσας (Mean Sea-Level Pressure, MSLP) με χρονική ανάλυση 6ώρου (00, 06, 12 και 18 UTC) και υψηλή χωρική ανάλυση (1°×1°). Τα δεδομένα ελήφθησαν από την υπερσύγχρονη βάση δεδομένων reanalysis ERA5 και αναφέρονται στην περίοδο 1950-2018. Οι κύριες περιοχές κυκλογένεσης και οι περιοχές υψηλής πυκνότητας των τροχιών των υφέσεων εντοπίζονται και είναι ο Κόλπος της Γένοβας, η οροσειρά του Άτλαντα, η Ιβηρική χερσόνησος, η περιοχή της Κύπρου, η Μαύρη Θάλασσα και η Μέση Ανατολή. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η στατιστική ανάλυση εφαρμόζοντας τις PCA και CA, με σκοπό την ταξινόμηση των τροχιών των υφέσεων που εντοπίστηκαν σε ομάδες και τελικά δημιουργούνται 12 ομάδες τροχιών υφέσεων (Cyclone tracks’ Clusters, CCs). Αναλύονται τα κύρια χαρακτηριστικά των 12 CCs, όπως οι κύριες πορείες που ακολουθούν, η εμμονή τους μέσα στο έτος καθώς και οι περιοχές επιρροής τους. Ακόμα, αξιοποιώντας τις ενδοετήσιες διακυμάνσεις των συχνοτήτων των 12 CCs, ορίζονται οι εποχές της Μεσογείου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ορίζονται αντικειμενικά 4 εποχές οι οποίες αντιστοιχούν στις συμβατικές αλλά παρουσιάζουν διαφορές στα όρια και στη διάρκειά τους. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται Cyclones Tracks’ Frequency method (CTF). Σε σχέση με τις προηγούμενες δύο μεθόδους που εφαρμόστηκαν, τις MVV και WTF, οι εποχές που ορίζει η μέθοδος CTF δεν είναι συνεχείς γεγονός που κάνει τον ακριβή ορισμό των ορίων τους δύσκολο. Σύμφωνα με τη μέθοδο CTF, ο χειμώνας διαρκεί 4 μήνες, το θέρος 3,5 μήνες, ενώ η άνοιξη και το φθινόπωρο έχουν διάρκεια λίγο μεγαλύτερη από 2 μήνες. Επίσης, η εφαρμογή της μεθόδου CTF στις 5 επικαλυπτόμενες 30ετείς υποπεριόδους, όπως ακολουθήθηκε και στις προηγούμενες μεθόδους, έχει ως αποτέλεσμα σε κάποιες περιπτώσεις να ορίζονται πέντε εποχές. Τέλος, εφαρμόζεται μια μέθοδος σύνθεσης (Synthesis method - S) των τριών παραπάνω μεθόδων, της MVV, της WTF και της CTF. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, εφαρμόζεται η CA στον ενοποιημένο πίνακα των Κύριων Συνιστωσών των τριών επιμέρους μεθόδων που προαναφέρθηκαν. Συνεπώς, η μέθοδος S αποτελεί μια ολοκληρωμένη προσπάθεια αντικειμενικού ορισμού των εποχών της Μεσογείου, καθώς λαμβάνει υπόψιν τις μέσες ενδοετήσιες διακυμάνσεις πλήθους μετεωρολογικών παραμέτρων, τους κυρίαρχους τύπους καιρού και τις υφέσεις που επηρεάζουν την περιοχή μελέτης. Σύμφωνα με τη μέθοδο S, οι εποχές είναι οι εξής: ο χειμώνας ο οποίος ξεκινά στις 16 Νοεμβρίου και τελειώνει στις 25 Μαρτίου και διαρκεί περισσότερο από 4 μήνες (131 ημέρες), η άνοιξη η οποία είναι η περίοδος 26 Μαρτίου - 11 Ιουνίου με διάρκεια περίπου 2,5 μήνες (78 ημέρες), το θέρος το οποίο ακολουθεί έως τις 12 Σεπτεμβρίου και διαρκεί 3 μήνες (93 ημέρες) και τέλος το φθινόπωρο (13 Σεπτεμβρίου - 15 Νοεμβρίου) το οποίο κλείνει τον ετήσιο κύκλο με διάρκεια 2 μηνών (63 ημέρες). Ακόμα, διερευνώνται και οι διαχρονικές αλλαγές των χαρακτηριστικών των εποχών και βρίσκεται ότι: ο χειμώνας ξεκινά αργότερα και τελειώνει αργότερα τα τελευταία χρόνια και έχει γίνει πιο σύντομος, η άνοιξη έρχεται και φεύγει νωρίτερα τις πιο πρόσφατες περιόδους και διαρκεί λίγο λιγότερο, το θέρος έρχεται νωρίτερα και τελειώνει αργότερα και επομένως είναι μεγαλύτερο, και τέλος το φθινόπωρο αρχίζει και τελειώνει αργότερα και η διάρκειά του αυξάνεται.