title: Αξιολόγηση της ικανότητας των υδροκλιματικών προγνώσεων εποχικού ορίζοντα για την περιοχή της Κρήτης
title: Skill assessment of seasonal hydroclimatic  forecast for the region of Crete
Creators: name: Φραγκη Ασημινα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Η ανάγκη πρόγνωσης των καιρικών συνθηκών γίνεται ολοένα και πιο σημαντική στη σύγχρονη εποχή. Από πλευράς χρηστικότητας, πέρα από την ανάγκη μεγαλύτερης χωρο-χρονικής λεπτομέρειας, υπάρχει μια αυξανόμενη  απαίτηση διεύρυνσης του χρονικού ορίζοντα πρόγνωσης. Η απαίτηση αυτή  ενισχύεται ιδιαίτερα υπό την επίδραση της ανθρωπογενούς κλιματικής  αλλαγής που έχει ως αποτέλεσμα την εκδήλωση καιρικών ακροτήτων όπως καταιγίδες, ακραίους καύσωνες, λειψυδρία κλπ.
Η επιστήμη της πρόγνωσης εποχικής κλίμακας έχει μια ιστορία μεγαλύτερη των 30 ετών. Αρχικά αναπτύχθηκε ως αμιγώς ερευνητική δραστηριότητα από λίγα ακαδημαϊκά και ερευνητικά ιδρύματα, αλλά προσφάτως προσελκύει  μεγάλο ενδιαφέρον για το λόγο ότι έχει τη δυνατότητα να προσφέρει χρήσιμη κλιματική πληροφορία σε κατάλληλους χρονικούς ορίζοντες, σε ποικίλους τομείς, όπως για παράδειγμα στη διαχείριση των υδάτινων πόρων. Οι εποχικές προγνώσεις ουσιαστικά περιέχουν ένα εύρος από πιθανές κλιματικές συνθήκες  σε χρονικό ορίζοντα πρόγνωσης που φτάνει μέχρι επτά μήνες. Παρότι υπάρχει  πληθώρα δεδομένων αυτού του τύπου, ο βαθμός αξιοποίησης τους είναι ακόμα μικρός λόγω της χαμηλής πιστότητας τους αλλά και της δυσχερούς επεξεργασίας τους προκειμένου να μετατραπούν σε χρήσιμη πληροφορία υποστήριξης αποφάσεων. 
Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο έλεγχος της πιστότητας των  κλιματικών προγνώσεων εποχικού ορίζοντα και η στατιστική επεξεργασία για τη βελτίωση τους, εστιάζοντας στην περιοχή της Κρήτης. Αρχικά αξιολογείται  η ικανότητα πρόγνωσης υδροκλιματικών συνθηκών για δύο δημοφιλή επιχειρησιακά συστήματα πρόγνωσης εποχικού ορίζοντα, το σύστημα ECMWF  System 5 (ECMWFS5) και το Météo-France System 6 (MFS6). Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ένα σύνολο μεθόδων για την βαθμονόμηση των προγνώσεων, την  διόρθωση των μεροληπτικών σφαλμάτων, το στατιστικό καταβιβασμό κλίμακας, την πολύ-μεταβλητή επαλήθευση και βελτιστοποίηση με σκοπό τη δημιουργία προσαρμοσμένης εποχικής υδροκλιματικής πρόγνωσης για την περιοχή της Κρήτης. Η επεξεργασία έγινε με τη χρήση του εργαλείου Climate Services Toolbox (CSTools), ενός εξειδικευμένου πακέτου R, που εξυπηρετεί στην αξιολόγηση και βελτίωση της ποιότητας των κλιματικών προγνώσεωνεποχιακού έως πολυετούς ορίζοντα.
Αρχικά πραγματοποιήθηκε έλεγχος της συνέπειας των δυο συστημάτων και βρέθηκε ότι το καλύτερο σύστημα για την περιοχή είναι το ECMWFS5, όπως επιβεβαιώνεται και από τη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, η εφαρμογή της βαθμονόμησης οδήγησε στη μείωση του μεροληπτικού σφάλματος έναντι των πλεγματικών δεδομένων επανα-ανάλυσης ERA5. Ιδιαίτερα για το σύστημα ECMWFS5 τόσο στη θερμοκρασία όσο και στη βροχόπτωση παρουσιάζει τις μικρότερες αποκλίσεις σε σύγκριση με καταγεγραμμένες τιμές, επομένως θεωρήθηκε αξιόπιστο για περεταίρω επεξεργασία. Ακολούθως, εφαρμόσθηκε καταβιβασμός κλίμακας ως ένα θεμελιώδες βήμα για τη μετατροπή των προσομοιώσεων κλίματος από την αρχική αδρομερή χωρική ανάλυση σε λεπτομερέστερη. Συγκεκριμένα, για τη μεταβλητή της θερμοκρασίας ελέγχθηκε για το καλοκαίρι του 2003, καθώς ήταν το πιο θερμό της περιόδου 1993-2016, σε πανευρωπαϊκό επίπεδο, ενώ για τη βροχόπτωση ελέγχθηκε για το φθινόπωρο του 2002, το πιο υγρό της αντίστοιχης περιόδου.
Τέλος, η μεθοδολογία εφαρμόσθηκε για την ανάπτυξη εστιασμένων πιθανολογικών προγνώσεων με αρχική ημερομηνία τη 1η Οκτωβρίου του 2022 για το χειμώνα του 2023 και για τους δυο πρώτους μήνες της άνοιξης Μάρτιος–Απρίλιος. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα της θερμοκρασίας, λαμβανομένου υπόψη την αυξητική της τάση που αποδίδεται στην ανθρωπογενή κλιματική αλλαγή, οι πιθανότητες για την θερμοκρασία ήταν σε μεγάλο βαθμό ρεαλιστικές. Το ίδιο ισχύει και για τη βροχόπτωση. Όμως, παρατηρήθηκε μια γενική αδυναμία των συστημάτων πρόγνωσης για τη ξηρή περίοδο, Μαΐου-Νοεμβρίου, επομένως υπάρχουν περιθώρια για βελτίωσης των συστημάτων όσο αφορά την προγνωστική ικανότητα. 
Οι εποχικές προγνώσεις έχουν μεγάλες δυνατότητες να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το κλίμα, που βοηθούν στη λήψη αποφάσεων σε τομείς που συσχετίζονται άμεσα με αυτό. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την πιθανή χρησιμότητα της εποχικής πρόγνωσης για την περιοχή της Κρήτης.
description: The need for weather forecasts is becoming increasingly important in modern times. From a utility point of view, in addition to the need for greater spatio-temporal detail, there is an increasing need to extend the forecast time horizon 
of our systems. This requirement is particularly strengthened in light of anthropogenic climate change with increased weather extremes such as storms, heat waves and water scarcity.
The science of seasonal forecasting has a history of more than 30 years. Originating as a pure research activity by a few academic and research institutions, it has recently attracted considerable interest because of its potential to provide useful climate information at appropriate time horizons in a variety of areas, such as water resources management. Seasonal forecasts essentially contain a range of possible climate conditions over a forecast horizon of one to seven months. Although there is an abundance of data of this type, the degree of utilization is still low due to their low skill and the difficulty of processing them to transform them into useful information for decision support. 
This thesis aims to test the skill of seasonal climate forecasts and apply statistical processing for their improvement, focusing on the region of Crete. First, the predictability skill for one of the two most popular operational seasonal horizon forecasting systems, ECMWF System 5 (ECMWFS5) and Météo-France System 6 (MFS6), is evaluated. A set of methods is then applied for forecast calibration, bias correction, statistical downscaling, multivariate verification, and optimization to generate a tailored seasonal hydroclimate forecast for the region of Crete. The processing was performed using the Climate Services Toolbox (CSTools), a specialized R package that evaluates and improves the quality of seasonal and multi-year climate forecasts.
Initially, a consistency check of the two systems was carried out and it was found that the best system for the area is ECMWFS5, which is also confirmed in the literature. Subsequently, the calibration application reduced the biases against the ERA5 reanalysis. Particularly for ECMWFS5 both temperature and precipitation show the smallest deviations compared to recorded values. 
Therefore, it was considered reliable for further processing. Downscaling was then applied as a fundamental step to increase the spatial resolution of the forecasts. Specifically, for the temperature variable, it was applied for the summer of 2003, as it was the warmest of the 1993-2016 period at the pan-European level, while for precipitation, it was applied for the autumn of 2002, the wettest of the corresponding period.
Finally, the methodology was applied to develop focused probabilistic forecasts with an initial date of 1 October 2022 for the winter of 2023 and for the first two months of spring March-April. By evaluating the temperature results based on its increasing trend due to climate change, the probabilities for temperature and precipitation were largely realistic. The same applies to precipitation. However, a weakness of the forecasting systems was observed for the dry season, May to November, so there is room for improvements in predictability.
Seasonal forecasts have great potential to provide valuable climate information that helps in decision-making for climate-related areas. The results confirm the potential usefulness of seasonal forecasting.