Χωροχρονική Δομή Συναγωγικής Βροχόπτωσης σε Ξηρό Κλίμα
Σε αντίθεση με την κοινή πεποίθηση, οι ξαφνικές πλημμύρες σε ξηρά κλίματα συμβαίνουν αρκετά συχνά όταν οι συναγωγικές καταιγίδες τυπικές αυτών των περιοχών χτυπούν τα ξηρά εδάφη που ανταποκρίνονται γρήγορα. Οι συναγωγικές καταιγίδες προκαλούνται από ισχυρές κατακόρυφες κινήσεις υγρών μαζών αέρα που οδηγούνται από την άνωση αστάθεια και είναι εξαιρετικά αποτελεσματικές στη συμπύκνωση της υγρασίας στις βροχοπτώσεις. Αυτά τα συστήματα δημιουργούν συνήθως υψηλές εντάσεις βροχής σε μικρές περιοχές. Σε αυτές τις συνθήκες, η απόκριση στις πλημμύρες καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της βροχόπτωσης και της λεκάνης απορροής στο χώρο και στο χρόνο, έτσι ώστε η χωροχρονική μεταβλητότητα των βροχοπτώσεων να είναι ένας βασικός παράγοντας που κυριαρχεί στο μέγεθος της πλημμύρας.
Η επαρκής μέτρηση της βροχόπτωσης στο χώρο και στο χρόνο είναι επομένως κρίσιμη για την παρακολούθηση, τη μοντελοποίηση και την έκδοση προειδοποιήσεων για πλημμύρες. Λόγω της μεγάλης χωρικής και χρονικής μεταβλητότητάς τους, οι καταιγίδες με συναγωγή εξακολουθούν να είναι δύσκολο να παρακολουθούνται στο χώρο και στο χρόνο, παρά τον αριθμό των διαθέσιμων αισθητήρων. Τα βροχόμετρα μετρούν τη βροχόπτωση σε σημειακή κλίμακα με υψηλή χρονική ανάλυση ή την ενσωματώνουν στο χρόνο. Αντίθετα, οι απομακρυσμένοι αισθητήρες συγκεντρώνουν τη μέτρηση στο χώρο και δειγματίζουν τη διάσταση του χρόνου με διαφορετικούς τρόπους. Τα ερωτήματα που θέλαμε να απαντήσουμε με αυτή τη μελέτη είναι:ποιοι αισθητήρες απαιτούνται για τη μέτρηση επαρκώς της συναγωγής βροχόπτωσης σε ξηρές περιοχές; Τι σημαίνει επαρκώς σημαίνει;
Επικεντρωθήκαμε στην ανατολική Μεσόγειο, συγκεκριμένα στις άνυδρες λεκάνες που στραγγίζουν δυτικά προς τη Νεκρά Θάλασσα. Παρά τη σχετικά μικρή ετήσια βροχόπτωση (έως 100-500 mm ετησίως), αυτές οι λεκάνες υπόκεινται συχνά σε ξαφνικές πλημμύρες που προκαλούν θύματα και ζημιές. Οι αναγνώστες που ενδιαφέρονται για τα χαρακτηριστικά των πλημμυρών που προκαλούν βροχόπτωση στην περιοχή θα βρουν λεπτομερείς πληροφορίες στο Belachsen et al. (2017). Εκμεταλλευτήκαμε τις εξαιρετικά υψηλές αναλύσεις (60 m, 1 λεπτό) ενός ραντάρ καιρού X-Band που εγκαταστάθηκε πρόσφατα από την Αρχή Αποστράγγισης της Νεκράς Θάλασσας για παρακολούθηση και προειδοποίηση πλημμυρών. Το όργανο, σχετικά χαμηλού κόστους, αναπτύχθηκε από την EnviSens Technologies και συντηρήθηκε από το εργαστήριο Υδρομετεωρολογίας στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ. Αυτό είναι ένα από τα πρώτα όργανα που μετρούν τη βροχόπτωση σε ξηρά κλίματα με τέτοιες αναλύσεις και επιτρέπει την επίλυση της μικρής κλίμακας μεταβλητότητας της μεταφοράς με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια.
Δεδομένου ότι οι ποσοτικές εκτιμήσεις ραντάρ υποφέρουν από διάφορες πηγές σφαλμάτων, τα ακατέργαστα δεδομένα ραντάρ διορθώθηκαν ακολουθώντας φυσικούς αλγόριθμους και προσαρμόζοντας τα ποσά βροχοπτώσεων μεγάλης κλίμακας στις μετρήσεις ενός ραντάρ καιρού C-Band μεγαλύτερης ανάλυσης που καλύπτει την περιοχή. Ο αναγνώστης παραπέμπεται στο αρχικό άρθρο (Marra and Morin, 2018) για μια λεπτομερή περιγραφή αυτών των μεθόδων. Ένα σύνολο 11 καταιγίδων με υψηλή συναγωγή επιλέχθηκε από το αρχείο ανάλογα με την ποιότητα των δεδομένων ραντάρ. Οι επιλεγμένες καταιγίδες χαρακτηρίστηκαν από διάρκειες που κυμαίνονται μεταξύ 6 ωρών και 5 ημερών, τα συνολικά βάθη βροχοπτώσεων κορυφώνονται μεταξύ 17,2 mm και 99,1 mm και οι αναλογίες υγρής περιοχής (κλάσμα των περιοχών που παρουσιάζουν βροχοπτώσεις ανά πάσα στιγμή κατά τη διάρκεια της καταιγίδας) κυμαίνονται μεταξύ 10% και 90% .
Η βροχόπτωση που προσπίπτει στο έδαφος ποικίλλει σε χώρο (2 διαστάσεις) και χρόνο (1-διάσταση) και επομένως μπορεί να θεωρηθεί ένα τρισδιάστατο βαθμωτό πεδίο. Μια μετρική που χρησιμοποιείται συνήθως για την ποσοτικοποίηση της μεταβλητότητας των βαθμωτών πεδίων είναι η αυτοσυσχέτιση, που μετρά την ομοιότητα δύο στοιχείων του πεδίου ως συνάρτηση της απόστασης που τα χωρίζει. Συμβατικά, η απόσταση στην οποία η αυτοσυσχέτιση μειώνεται κατά έναν παράγοντα 1/e ονομάζεται απόσταση αποσυσχέτισης και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης στην οποία χάνονται οι πληροφορίες. Σε αυτήν τη μελέτη, η χωρική και χρονική αυτοσυσχέτιση των πεδίων βροχόπτωσης ραντάρ υψηλής ανάλυσης ποσοτικοποιήθηκε ξεχωριστά.
Τα συναγωγικά πεδία βροχόπτωσης ταυτοποιήθηκαν ως πεδία βροχόπτωσης ραντάρ στα οποία παρατηρήθηκε τουλάχιστον ένα συναγωγικό κελί βροχής. Οι κυψέλες μεταφοράς βροχής ορίστηκαν, με χρήση επεξεργασίας εικόνας, ως συνδεδεμένες περιοχές μεγαλύτερες από 3 km, στις οποίες η ένταση βροχόπτωσης ξεπέρασε τα 10 mm h και με ένταση αιχμής άνω των 25 mm h. Συνολικά, παρατηρήθηκαν 5469 συναγωγικά πεδία βροχόπτωσης κατά τη διάρκεια των εξεταζόμενων γεγονότων. Η δισδιάστατη χωρική αυτοσυσχέτιση ενός συναγωγικού πεδίου υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το θεώρημα Wiener-Khintchine. Η μονοδιάστατη χωρική αυτοσυσχέτιση κάθε συναγωγικού πεδίου στη συνέχεια προέκυψε προσαρμόζοντας στη δισδιάστατη αυτοσυσχέτιση μια εκθετική 3 παραμέτρων. Η χρονική αυτοσυσχέτιση υπολογίστηκε χωριστά για κάθε εικονοστοιχείο ραντάρ 60 μέτρων που απομονώνει τη χρονική σειρά βροχόπτωσης και η απόσταση αποσυσχέτισης υπολογίστηκε προσαρμόζοντας σε αυτές την εκθετική συνάρτηση 3 παραμέτρων που περιγράφεται παραπάνω.
Παρατηρήθηκε μεγάλη χωροχρονική μεταβλητότητα της βροχόπτωσης συναγωγής. Οι αποστάσεις χωρικής αποσυσχέτισης των συναγωγικών πεδίων βροχόπτωσης ήταν συνήθως μεταξύ 1,5 και 3 km και κυρίως μικρότερες από 5 km. Οι χρόνοι χρονικής αποσυσχέτισης των συναγωγικών καταιγίδων ήταν μεταξύ 2 και 7 λεπτών και σπάνια ξεπερνούσαν τα 10 λεπτά. Οι αποστάσεις χωρικής και χρονικής αποσυσχέτισης αμφισβητούν έντονα τους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για λειτουργική παρακολούθηση σε ξηρές περιοχές. Σε περίπτωση αποτελεσματικής ανάπτυξης δικτύων βροχόμετρων, ένας σταθμός κάθε ~3 km θα ήταν απαραίτητος για τη δειγματοληψία αυτών των χωρικών κλιμάκων, ενώ τα επιχειρησιακά δίκτυα είναι, γενικά, τουλάχιστον 30 φορές λιγότερο πυκνά. Αυτό εξηγεί τη σπάνια αντιπροσωπευτικότητα της λειτουργίας που αναφέρεται συνήθως σε ξηρά κλίματα και συνθήκες συναγωγής.
Λίγα πυκνά δίκτυα είναι πράγματι διαθέσιμα, αλλά προσφέρουν μόνο περιορισμένη κάλυψη περιοχής και απαιτούν άφθονες προσπάθειες συντήρησης. Όσον αφορά τους απομακρυσμένους αισθητήρες, οι παρατηρούμενες χωρικές κλίμακες είναι συγκρίσιμες με την ανάλυση των μετεωρολογικών ραντάρ C- και S-Band (συνήθως 1-2 km), αλλά πολύ μικρότερη από την ανάλυση προϊόντων που βασίζονται σε δορυφόρους (φτάνοντας τα 4-8 km, αλλά τυπικά 10-25 km). Οι εμπορικές ζεύξεις μικροκυμάτων προσφέρουν εξαιρετικά μεταβλητή χωρική ανάλυση ανάλογα με το μήκος τους (<1 km), ωστόσο σε λιγότερο κατοικημένες περιοχές όπως οι άνυδρες περιοχές, το μήκος τους είναι συνήθως μεγάλο, καθώς αναπτύσσονται μόνο λίγοι πύργοι. Για παράδειγμα, στις περιοχές που καλύπτονται από αυτήν τη μελέτη, τα μονοπάτια σύνδεσης μικροκυμάτων έχουν μήκος τουλάχιστον ~10 km.
Η τυπική χρονική ανάλυση δειγματοληψίας των καιρικών ραντάρ (γενικά 5-10 λεπτά), μετά βίας μπορεί να παρέχει πλήρεις πληροφορίες για τις εξεταζόμενες συναγωγικές καταιγίδες, ενώ οι δορυφορικές εκτιμήσεις, βασισμένες στην καλύτερη περίπτωση σε δεδομένα ανάλυσης 30 λεπτών, αναμένεται να παρέχουν σοβαρά εσφαλμένες πληροφορίες . Το ίδιο ισχύει και για τα δεδομένα ζεύξης μικροκυμάτων που, παρά την πιθανή διαθεσιμότητα σε πολύ υψηλή ανάλυση (ακόμη και <1 λεπτό), παρέχονται γενικά από τις εταιρείες κινητής τηλεφωνίας σε πιο χονδρές χρονικές αναλύσεις (~15 λεπτά). Τα βροχόμετρα, ακόμη και αν παρέχουν δεδομένα σε χονδρική χρονική ανάλυση, συγκεντρώνουν τις πληροφορίες έγκαιρα (αντί να παρέχουν τα στιγμιότυπα χρόνου των απομακρυσμένων αισθητήρων) και έτσι παρέχουν το πλήρες βάθος βροχόπτωσης που παρέχεται από την καταιγίδα πάνω από τη θέση τους.
Ο συνδυασμός πληροφοριών από διαφορετικούς αισθητήρες σε εκτιμήσεις βροχόπτωσης πολλαπλών αισθητήρων, αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα κάθε αισθητήρα αντιπροσωπεύει έναν βιώσιμο τρόπο βελτίωσης των εκτιμήσεων βροχόπτωσης, ωστόσο, εξακολουθεί να αποτελεί μια ανοιχτή πρόκληση για ξηρές περιοχές, όπου η διαθεσιμότητα δεδομένων είναι περιορισμένη και η μεταφορά θερμότητας κυριαρχεί στην κλιματολογία βροχοπτώσεων.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Autocorrelation structure of convective rainfall in semiarid-arid κλίμα που προέρχεται από εκτιμήσεις ραντάρ υψηλής ανάλυσης X-Band, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Atmospheric Research . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Francesco Marra και Efrat Morin από το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ.
