Study of atmospheric environment using mesoscale numerical models

Numerical models are considered to be a basic tool for the understanding and the study of the environment thought the simulation of the physical procedures with complicated schemes. A major implementation of numerical models is weather prediction and the study of meteorological variables. In the frame of the present study, we test the ability of a mesoscale model to simulate an anomaly in atmospheric environment. The first aim is to understand whether numerical models are able to be used in less ordinary situations taking place in the atmosphere while on the other hand this research will provide a useful tool in order to study such phenomena which are not included in the original code of the model, and have as a result the diversion between forecasts and reality. More specifically, we present the results of a numerical experiment using the state-of -the-art limited area mesoscale model WRF to simulate changes in meteorological variables due to the solar eclipse of 29th March 2006 which affected the greater Greek territory and created major changes in the atmospheric environment of the area. In order to simulate the eclipse, specific schemes of parameterization were chosen while radiation scheme was altered in such a way as to include the obscuration during the eclipse period. The coarse domain of the run included the greater Greek territory with resolution 10x10 km, while four nested domains were added focusing mostly on the areas where there were measurement sites, with analysis 2x2 km. As expected the first simulated variable affected by the eclipse was the incoming solar radiation which showed very good agreement with the observations. Due to the reduction of the radiation, eclipse effects were shown with quite immediate response in surface temperature and relative humidity while with some delay they were outlined in wind. Comparing model results with the observation, focusing on the places of interest where there have been installed meteorological stations, very encouraging conclusions come out since they show the ability of the model to simulate successfully such rare phenomena and the possibility to interfere in the original code in order to study specific procedures that take place in the atmospheric environment. An effort was also made to study the impacts of the eclipse on air quality. The study was based on numerical simulations by the modified WRF/CAMx modelling systems and air quality observations. The major outcome from this study is that the impacts on surface O3, NO2 και NO levels in rural areas was not significant. On the other hand, the effects in polluted urban and semi-urban areas were higher.Τα αριθμητικά μοντέλα αποτελούν ολοένα και περισσότερο βασικό εργαλείο κατανόησης και μελέτης των φυσικών διεργασιών μέσω της προσομοίωσης τους με τη χρήση πολύπλοκων σχημάτων. Κυριότερο πεδίο εφαρμογής βρίσκουν στη μελέτη των μετεωρολογικών παραμέτρων και στην πρόγνωση του καιρού αλλά επίσης και στον υπολογισμό των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής γίνεται χρήση αριθμητικών μοντέλων για τη μελέτη του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος. Πιο συγκεκριμένα γίνεται προσπάθεια να διερευνηθεί η ικανότητα ενός μοντέλου μέσης κλίμακας να προσομοιώσει μία ανωμαλία που μπορεί να δημιουργηθεί στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον με βαθύτερο στόχο να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την δυνατότητα χρήσης των συγκεκριμένων εργαλείων ακόμη και σε λιγότερο συνηθισμένες καταστάσεις που επηρεάζουν την ατμόσφαιρα. Δευτερεύων στόχο αποτελεί η εξεύρεση ενός τρόπου μελέτης των επιδράσεων αντίστοιχων φυσικών φαινομένων που δεν έχουν προβλεφθεί στον αρχικό κώδικα των αριθμητικών μοντέλων και προκαλούν παρεκκλίσεις από την πραγματική κατάσταση και σφάλματα στις προγνώσεις. Ειδικότερα, γίνεται μία προσπάθεια προσομοίωσης της έκλειψης της 29ης Μαρτίου 2006 που έγινε αισθητή στον ευρύτερο ελλαδικό χώρο με τη χρήση του μοντέλου μέσης κλίμακας WRF. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η προσομοίωση του φαινομένου επελέγησαν συγκεκριμένα σχήματα για την παραμετροποίηση των φυσικών διεργασιών ενώ ακολούθησε η μεταβολή του σχήματος της ακτινοβολίας κατά τέτοιο τρόπο ώστε να περιλαμβάνει και την έκλειψη. Το μοντέλο ολοκλήρωσε την προσομοίωση για την περιοχή του ελλαδικού χώρου με ανάλυση 10 km αλλά, με την τεχνική των επαλλήλων πλεγμάτων, δόθηκε επίσης έμφαση σε συγκεκριμένες περιοχές όπου υπήρχαν σταθμοί μετρήσεων (Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Καστελόριζο και Φινοκαλιά), για τις οποίες υπήρξε ανάλυση 2 km. Οι μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούσαν την ημέρα της έκλειψης και λίγο πριν από αυτή ήταν ευνοϊκές για τη μελέτη του φαινομένου, καθώς επικρατούσε στο μεγαλύτερο μέρος του ελλαδικού χώρου ηλιοφάνεια. Η επίδραση της έκλειψης όπως ήταν φυσικό αποτυπώθηκε πρώτα στην προσομοιωμένη εισερχόμενη ακτινοβολία ακολουθώντας με πολύ καλή συμφωνία τις μετρήσεις τόσο όσον αφορά στις τιμές όσο και στη χρονική εξέλιξη του φαινομένου. Μέσω της μεταβολής της ακτινοβολίας έγιναν εμφανείς οι επιδράσεις της έκλειψης και στις κυριότερες μετεωρολογικές μεταβλητές (θερμοκρασία, άνεμος, σχετική υγρασία) όπως προσομοιώθηκαν από το WRF αλλά και όπως αποτυπώθηκαν στις μετρήσεις. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με τις τιμές που μετρήθηκαν, προκύπτουν πολύ καλά συμπεράσματα ως προς την ικανότητα του να προσομοιώσει την έκλειψη αλλά και τη δυνατότητα που παρέχει να δεχθεί μία σειρά τροποποιήσεων στον αρχικό του κώδικα προκειμένου να γίνει εργαλείο έρευνας ρεαλιστικών ή ιδεατών καταστάσεων στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Έγινα επίσης μια προσπάθεια να μελετηθεί η επίπτωση της έκλειψης στην ποιότητα του αέρα. Η μελέτη βασίσθηκε στη χρήση του συστήματος μοντέλων WRF/CAMx όπως αυτό τροποποιήθηκε κατάλληλα με την εισαγωγή της έκλειψης καθώς και σε μετρήσεις της ποιότητας του αέρα. Το σημαντικότερο συμπέρασμα αυτής της μελέτης είναι ότι δεν εμφανίζονται καθαρές επιδράσεις στις συγκεντρώσεις του O3, NO2 και NO επιφανείας σε περιοχές υποβάθρου. Αντίθετα στις αστικές και ημιαστικές περιοχές όπου επικρατούν σχετικά υψηλά επίπεδα ρύπανσης, οι επιδράσεις της έκλειψης στις συγκεντρώσεις των O3, NO2 και NO επιφανείας είναι προφανείς τόσο από τα αποτελέσματα του μοντέλου όσο κι από τις μετρήσεις