Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14205
Title: Υπολογιστικά/Αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης καιρού και εκτίμησης περιβαλλοντικών και ενεργειακών παραμέτρων
Other Titles: Computational/Numerical models for weather forecasting and evaluation of environmental and energy parameters
Authors: Παπανικολάου, Κωνσταντίνος
Keywords: Αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης καιρού
Προγνωστικές εξισώσεις καιρού
Ευρωπαϊκό κέντρο μεσοπρόθεσμων προγνώσεων καιρού
Keywords (translated): Numerical weather models
Weather prognostic equations
European Center for medium range weather forecasts
Abstract: Στη παρούσα ΜΔΕ μελετάμε τα υπολογιστικά/αριθμητικά μοντέλα τα οποία έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται διεθνώς για την πρόγνωση του καιρού, καθώς επίσης πως μπορούν να αξιοποιηθούν τα αποτελέσματα αυτών για την εκτίμηση περιβαλλοντικών και ενεργειακών παραμέτρων. Στην αρχή γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη της μετεωρολογίας από την αρχαιότητα και την αρχική της μορφή ως εργαλείο για την ερμηνεία των καιρικών φαινομένων, μέχρι την καθιέρωσή της ως επιστήμη περίπου στα τέλη του 16ου αιώνα και τις αρχές του 17ου , αλλά και την περαιτέρω ανάπτυξή της τον 20ο αιώνα, παράλληλα με την εξέλιξη της τεχνολογίας. Ξεκινώντας λοιπόν στο πρώτο κεφάλαιο, δίνονται οι βασικοί ορισμοί των κύριων ή πιο συνηθισμένων στοιχείων που αφορούν τον καιρό (κυρίως σε μικρή-τοπική κλίμακα) καθώς επίσης και οι μαθηματικές σχέσεις που συνδέουν τις διάφορες μεταβλητές μεταξύ τους. Προχωρώντας στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μία γενική ανάλυση του τρόπου λειτουργίας και πρόγνωσης των αριθμητικών μοντέλων. Εξηγούνται όλες οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται από τα μοντέλα, η σύνδεση και η μαθηματική τους επεξεργασία και επίλυση, για τον υπολογισμό της κάθε πρόγνωσης. Παράλληλα, εξετάζονται η ακρίβεια και τα σφάλματα που προκύπτουν μαζί με τις μεθόδους αντιμετώπισής τους, οι τρόποι αξιολόγησης των δεδομένων εισόδου και των αποτελεσμάτων του μοντέλου και τέλος οι τρόποι βελτίωσης των προγνώσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο, μετά από μία συνοπτική αναφορά στα βασικά μοντέλα πρόγνωσης που υπάρχουν, έχει επιλεγεί το μοντέλο του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (ECMWF) για μία αναλυτικότερη περιγραφή της λειτουργίας του. Ειδικότερα, αναλύεται όλη η δομή του, με τα επιμέρους σχήματα για την προσομοίωση των ατμοσφαιρικών φαινομένων και παραθέτονται οι εξισώσεις που αυτά χρησιμοποιούν, με τις παραμετροποιήσεις που ενσωματώνουν για την ακριβέστερη περιγραφή τους. Στη συνέχεια δίνονται οι τρόποι επίλυσης των εξισώσεων του μοντέλου και πως έχουν σχεδιαστεί για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων και την αποτελεσματικότερη λειτουργία, από άποψη οικονομίας χρόνου και υπολογιστικών πόρων. Σημασία δίνεται επίσης στη διαδικασία αξιολόγησης των εισερχόμενων δεδομένων και των προϊόντων του μοντέλου, αλλά και στη στοχαστική μέθοδο πρόγνωσης, η οποία έχει ιδιαίτερη σημασία για την πρόγνωση του καιρού. Τέλος, γίνεται αναφορά στα πακέτα γραφικής απεικόνισης των προγνώσεων που χρησιμοποιεί το Ευρωπαϊκό Κέντρο και στην ερμηνεία των μετεωρολογικών χαρτών.
Abstract (translated): In the present master thesis we study the computational/numerical models that have been developed and used internationally for weather forecasting and how these results can be employed for the evaluation of environmental and energy parameters. Firstly, a brief historical retrospection of the evolution of meteorology is being conducted, from the ancient years, until its establishment as a natural science on the eve of the 16th century and the beginning of the 17th. During these years, it was used as a tool to interpret various weather patterns and nowadays it has met a tremendous growth, which goes side by side with the computer and technological development. Starting with the first chapter, the basic definitions of the most common weather elements are being explained, along with their mathematical formulations and interactions. Moving into the second chapter, a general inspection of the fundamental principles of numerical models is attempted. All the necessary equations, the stages of the solution methods and the parameters affecting the final output are addressed. Furthermore, there is a discussion about the accuracy of each forecast, the occurring errors and several ways to minimize them, through some processes known as data assimilation and ensemble forecasting. In the third chapter, after an overview of the most widely used models, the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) model has been selected for a comprehensive review. Specifically, there is a breakdown of its structure, along with the parameterization schemes and the data exchange between them. From a functional point of view, the dynamics and numerical procedures are described, with regard to model time effectiveness, error elimination and computational resources. Besides, data assimilation and ensemble forecasting can anything but be neglected, as their role in weather prediction is of paramount importance. Finally, the software packages of the ECMWF for the visual simulation of the evolution of the atmosphere are mentioned, in combination with the reading of synoptic weather charts. In conclusion, some ideas towards upgrades and amelioration areas in the future are quoted. As models become more precise with the lapse of time, we can better exploit these improvements in many aspects of our life, such as energy, agricultural and aeronautical purposes, as well as environmental issues like air contamination and global warming.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Numerical weather models.pdf4.94 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.