Simulation of specific weather conditions in the area of Epirus by using a numerical weather prediction model

The Laboratory of Meteorology of Ioannina University conducts daily weather forecast for Epirus, by the implementation of the mesoscale meteorological model MM5 at a high-resolution grid (2×2Km). One of the purposes of Ph.D. thesis was to assess the performance of the model over Epirus focusing on the precipitation forecasts. Specifically, it was investigated whether precipitation forecast in Epirus, is improved when: (i) the model resolution is increased from 8×8Km to 2×2Km, (ii) a convective parameterization scheme (CPS) is applied in the high resolution grid, and (iii) different CPSs are applied. For this purpose, the MM5 was applied on 22 selected days with intense precipitation over Epirus, during the wet period of the years 2009 and 2010. According to the results, an improvement in precipitation prediction appears as horizontal resolution gets higher. Also, it was found that the activation of a CPS in the finest grid of 2Km appears necessary as the results are considerably improved, while the CPSs forecasting the most reliable precipitation heights are Grell and Kain-Fritsch-2. A further task of this Ph.D. thesis was to reveal the impact of topography on the distribution and the amount of precipitation in Epirus, during the cold period of the year. Thus, a precipitation event with typical wintertime characteristics was considered. Various sensitivity tests were performed and the optimum one was set as reference simulation. Then, the model was applied again incorporating modified data of topography. The topography was modified with two ways: either by reducing the height of the mountains (type RT) or by elevating the terrain height (type ET). The results showed that in the RT type, the precipitation field appears more homogeneous, with weaker maxima on the windward sides and above the mountain ridges. As a consequence, less rain falls in these areas and humid air passes easier to the lee sides reducing rain shadows. In the ET type, rain increases in the windward coastal zone of Epirus while it is reduced in the inland areas where less humid air is available. Generally, the modification of topography changes the flows near the surface, causing a displacement of the convergence zones and thus a new distribution of vertical velocities, which, combined with the new water vapour field, has a direct impact on precipitation. Finally, it was investigated if and to what extend the Lake of Ioannina affects the precipitation regime in the area during the warm period of the year. For this reason, an afternoon thermal precipitation event was considered and simulated. Sequential sensitivity tests reveled the reference simulation and then, the model conducted two additional simulations by using modified land use data. According to the results, the humidity over and around the lake, in the afternoon, is mainly controlled by air masses coming from the Ionian Sea. The role of the lake was found to be indirect, as it influences stability conditions and air flows above and around it, modifying thus convergence/divergence and finally affecting the updrafts which cause precipitation.Στο Εργαστήριο Μετεωρολογίας του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων διενεργείται καθημερινά πρόγνωση καιρού για την Ήπειρο, με την εφαρμογή του μετεωρολογικού μοντέλου MM5 σε πλέγμα υψηλής οριζόντιας ανάλυσης (2×2Km). Ένας από τους στόχους της διδακτορικής διατριβής ήταν να αποτιμηθεί η λειτουργία του μοντέλου εστιάζοντας κυρίως στην πρόγνωση του υετού. Ειδικότερα, ερευνήθηκε εάν η πρόγνωση του υετού βελτιώνεται όταν: (i) η οριζόντια ανάλυση αυξάνεται από 8×8Km σε 2×2Km, (ii) εφαρμόζεται σχήμα παραμετροποίησης των κατακόρυφων κινήσεων μεταφοράς (CPS) στο πλέγμα υψηλής ανάλυσης, και (iii) εφαρμόζονται διαφορετικά CPSs. Για την επίτευξη των στόχων, το μοντέλο ΜΜ5 εφαρμόστηκε σε 22 επιλεγμένες ημέρες, της υγρής περιόδου των ετών 2009 και 2010, κατά τις οποίες καταγράφηκαν μεγάλα ύψη υετού σε όλη την Ήπειρο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η πρόγνωση του υετού βελτιώνεται από την αύξηση της οριζόντιας ανάλυσης κυρίως στις ορεινές περιοχές. Διαπιστώθηκε επίσης ότι η εφαρμογή CPS στο πλέγμα υψηλής ανάλυσης των 2Km είναι απαραίτητη πρωτίστως στα πεδινά, ενώ τα CPSs με τα οποία παράγονται οι πιο αξιόπιστες προγνώσεις υετού είναι τα Grell και Kain-Fritsch-2. Ένας επιπλέον στόχος της διατριβής ήταν να διαπιστωθεί η επίδραση της τοπογραφίας στην κατανομή και το ύψος υετού στην Ήπειρο, κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου. Για το λόγο αυτό, ερευνήθηκε λεπτομερώς μία περίπτωση υετού με τυπικά χειμερινά χαρακτηριστικά. Για την προσομοίωση της περίπτωσης, πραγματοποιήθηκαν διάφορα πειράματα ευαισθησίας. Η βέλτιστη προσομοίωση ορίστηκε ως προσομοίωση αναφοράς και κατόπιν, το μοντέλο εφαρμόστηκε εκ νέου εισάγοντας δεδομένα τοπογραφίας κατάλληλα τροποποιημένα. Η τοπογραφία μεταβλήθηκε με δύο τρόπους: είτε ελαττώνοντας το ύψος των βουνών (τύπος RT) είτε αυξάνοντάς το (τύπος ET). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στον RT τύπο, το πεδίο του υετού είναι πιο ομοιογενές, με εξασθενημένα τα μέγιστα στις κορυφές και τις προσήνεμες περιοχές των βουνών. Ως συνέπεια, λιγότερη βροχή πέφτει στις περιοχές αυτές και ο υγρός αέρας περνάει πιο εύκολα στις υπήνεμες πλευρές μειώνοντας τις ομβροσκιές. Στον ET τύπο, η βροχή αυξάνεται στην προσήνεμη παραλιακή ζώνη της Ηπείρου ενώ ελαττώνεται στα ηπειρωτικά. Γενικά, η τροποποίηση του αναγλύφου αλλάζει τη ροή του ανέμου κοντά στην επιφάνεια του εδάφους, προκαλώντας μετατόπιση των περιοχών σύγκλισης. Ως συνέπεια δημιουργείται μία νέα χωρική κατανομή των κατακόρυφων ταχυτήτων, η οποία, συνδυαζόμενη με ένα νέο πεδίο υγρασίας έχει άμεσο αποτέλεσμα στο πεδίο του υετού. Τέλος, ερευνήθηκε εάν και σε ποιο βαθμό η Λίμνη των Ιωαννίνων επηρεάζει το καθεστώς του υετού στην περιοχή κατά το θέρος. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε και μελετήθηκε αναλυτικά μία περίπτωση θερμικής καταιγίδας. Από πειράματα ευαισθησίας προέκυψε η προσομοίωση αναφοράς και ακολούθησαν δύο επιπλέον προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας τροποποιημένα δεδομένα χρήσης γης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η υγρασία πάνω και γύρω από τη λίμνη κατά τις απογευματινές ώρες, ελέγχεται κυρίως από τις αέριες μάζες που φθάνουν στην περιοχή από το Ιόνιο. Ο ρόλος της λίμνης είναι έμμεσος, καθώς αυτή επηρεάζει τις συνθήκες αστάθεια-ευστάθειας και τη ροή του αέρα πάνω από αυτή

On the variability of the surface environment response to synoptic forcing over complex terrain: a multivariate data analysis approach

Synoptic climatology relates the atmospheric circulation with the surface environment. The aim of this study is to examine the variability of the surface meteorological patterns, which are developing under different synoptic scale categories over a suburban area with complex topography. Multivariate Data Analysis techniques were performed to a data set with surface meteorological elements. Three principal components related to the thermodynamic status of the surface environment and the two components of the wind speed were found. The variability of the surface flows was related with atmospheric circulation categories by applying Correspondence Analysis. Similar surface thermodynamic fields develop under cyclonic categories, which are contrasted with the anti-cyclonic category. A strong, steady wind flow characterized by high shear values develops under the cyclonic Closed Low and the anticyclonic H–L categories, in contrast to the variable weak flow under the anticyclonic Open Anticyclone category