Please use this identifier to cite or link to this item:
https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/39881Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.author | Νασίκας, Στέφανος | el |
| dc.date.accessioned | 2026-03-16T10:24:17Z | - |
| dc.date.available | 2026-03-16T10:24:17Z | - |
| dc.identifier.uri | https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/39881 | - |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | * |
| dc.subject | Ομίχλη | el |
| dc.subject | Αιθαλομίχλη | el |
| dc.subject | PaFog | en |
| dc.subject | MiFog | en |
| dc.subject | Ιωάννινα | el |
| dc.title | Μελέτη των πιθανών επιπτώσεων των αυξημένων εκπομπών αερολυμάτων καύσης βιομάζας στο σχηματισμό ομίχλης στο λεκανοπέδιο των Ιωαννίνων | el |
| dc.type | masterThesis | en |
| heal.type | masterThesis | el |
| heal.type.en | Master thesis | en |
| heal.type.el | Μεταπτυχιακή εργασία | el |
| heal.dateAvailable | 2026-03-16T10:25:17Z | - |
| heal.language | el | el |
| heal.access | free | el |
| heal.recordProvider | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών | el |
| heal.publicationDate | 2026-01-29 | - |
| heal.abstract | Στην παρούσα εργασία εφαρμόζονται δύο αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης ομίχλης στα Ιωάννινα με σκοπό, αφενός, την πρόγνωση και μελέτη της ομίχλης και αφετέρου τη διερεύνηση της επίδρασης των τοπικά παραγόμενων σωματιδίων καύσεων βιομάζας στις ιδιότητες της ομίχλης, για πρώτη φορά στην Ελλάδα. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων χρησιμοποιήθηκαν δύο μονοδιάστατα (1-D) μοντέλα ομίχλης, το MiFog (Μicrophysical Fog) και PaFog (Parameterized Fog). Τα δύο αυτά μοντέλα διαθέτουν κοινό κώδικα που περιγράφει την δυναμική, την τύρβη, την ακτινοβολία και το έδαφος, ενώ διαφέρουν ως προς τη μικροφυσική. Το MiFog περιέχει σχήμα πλήρους μικροφυσικής ενώ το PaFog χρησιμοποιεί ένα παραμετροποιημένο σχήμα. Η αρχικοποίηση των μοντέλων γίνεται με χρήση μετεωρολογικών δεδομένων εδάφους (εδάφους-αέρα) και υπεδάφους, από το μετεωρολογικό σταθμό του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (ΠΙ) και κατακόρυφα προφίλ ατμόσφαιρας, από δεδομένα επανανάλυσης MERRA-2, εξαιτίας της έλλειψης τοπικών ραδιοβολίσεων. Επιπλέον, τα αερολύματα στο μοντέλο MiFog εισάγονται μέσω θεωρητικών αριθμητικών κατανομών μεγεθών και μέσω του υδατοδιαλυτού τους μέρους (ε). Αντίστοιχα, στο PaFog χρησιμοποιούνται αριθμητικές συγκεντρώσεις αερολυμάτων, ενώ η ενεργοποίηση των αερολυμάτων περιγράφεται μέσω παραμετροποιήσεων. Αρχικά, προσδιορίστηκαν τα επεισόδια ομίχλης και αιθαλομίχλης που σημειώθηκαν στα Ιωάννινα, καθώς και αυτά που εκδηλώθηκαν ταυτόχρονα, κατά την περίοδο περίπου τριών ετών (05/2019 – 02/2022). Τα επεισόδια αυτά ορίστηκαν ως η τομή των ημερών έντονης αιθαλομίχλης και των ημερών ομίχλης. Για τον εντοπισμό των ημερών έντονης αιθαλομίχλης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα συγκέντρωσης μάζας αιωρούμενων σωματιδίων (particulate matter, PM) από τον Περιβαλλοντικό Σταθμό της Περιφέρειας Ηπείρου, βάσει τεχνικής καθορισμού κατωφλίων για τις τιμές PM. Ο προσδιορισμός των ημερών ομίχλης πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ΜΕΤΑR του αεροδρομίου των Ιωαννίνων, τα οποία ανέφεραν την ημέρα και την ώρα ύπαρξης ομίχλης σε ανάλυση μισής ώρας Στη συνέχεια, για την εφαρμογή των μοντέλων ομίχλης, επιλέχθηκε ένα τριήμερο επεισόδιο ομίχλης – αιθαλομίχλης το οποίο έλαβε χώρα στις 16-19/12/2020. Για την ορθή εφαρμογή των μοντέλων και εξαιτίας της έλλειψης μετρήσεων σε βασικές παραμέτρους εισόδου, πραγματοποιήθηκε μια σειρά από μελέτες ευαισθησίας προκειμένου να διερευνηθεί η διαφοροποίηση των αποτελεσμάτων υπό διαφορετικές αρχικές συνθήκες και ως εκ τούτου και το σχετικό εύρος αβεβαιότητας των αποτελεσμάτων. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν στις μελέτες ευαισθησίας ήταν το θερμοκρασιακό προφίλ της ατμόσφαιρας, η ένταση των καθοδικών κινήσεων (κατακόρυφη ταχύτητα) του ατμοσφαιρικού αέρα, το ύψος ανάμιξης των αερολυμάτων, ο τύπος εδάφους, η θερμοκρασία και η υγρασία υπεδάφους, ο τύπος, ο αριθμός και το υδατοδιαλυτό μέρος (ε) των αερολυμάτων και τέλος η ώρα εκκίνησης του μοντέλου. Από τις μελέτες ευαισθησίας προέκυψε ότι τα αποτελέσματα των μοντέλων εμφανίζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στο θερμοκρασιακό προφίλ της ατμόσφαιρας, στον τύπο και στην υγρασία του εδάφους και στον τύπο των αερολυμάτων. Μικρότερη είναι η ευαισθησία στην κατακόρυφης ταχύτητα, στο ύψος ανάμιξης, τον αριθμό και το υδατοδιαλυτό μέρος των αερολυμάτων. Η πλέον μικρή ευαισθησία παρουσιάζεται στη θερμοκρασία του υπεδάφους. Επιπλέον, για μικρές χρονικές διαφοροποιήσεις στην ώρα εκκίνησης του μοντέλου, της τάξης των μερικών ωρών, δεν παρατηρείται σημαντική απόκλιση των αποτελεσμάτων. Με βάση τα αποτελέσματα των παραπάνω μελετών ευαισθησίας, επιλέχθηκαν οι καταλληλότερες αρχικές συνθήκες για τη ρεαλιστικότερη προσομοίωση του υπό μελέτη επεισοδίου ομίχλης – αιθαλομίχλης. Η προσομοίωση αυτή έγινε με χρήση του μοντέλου MiFog καθώς αυτό περιέχει πλήρη μικροφυσική και αποδίδει πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα σε σχέση με το παραμετροποιημένο σχήμα μικροφυσικής του PaFog. Η ποιότητα της προσομοίωσης αυτής αξιολογήθηκε μέσω συγκρίσεων των αποτελεσμάτων των μοντέλων με μετεωρολογικά δεδομένα του ΠΙ, ενώ η χρονική στιγμή εξασθένησης της ομίχλης και η ορατότητά της ελέγχθηκαν μέσω συγκρίσεων με δεδομένα της EMY και METARs του αεροδρομίου Ιωαννίνων. Από τη σύγκριση μεταξύ προσομοίωσης και παρατηρήσεων για την πρώτη ημέρα προσομοίωσης βρέθηκε αρκετά καλή συνδιακύμανση της θερμοκρασίας στα 2 m, της σχετικής υγρασίας στο ίδιο ύψος και της εισερχόμενης στο έδαφος ηλιακής ακτινοβολίας. Οι παράμετροι αυτοί εμφάνιζαν μικρές διαφορές κατά τις μεσημβρινές ώρες. Αντίθετα, η θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους και η εισερχόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία στην επιφάνεια παρουσίαζαν κοινή διακύμανση, όμως υπήρξε σημαντική υποεκτίμηση από το μοντέλο. Η ώρα διάλυσης της ομίχλης κατά την πρώτη ημέρα της προσομοίωσης εκτιμήθηκε από το μοντέλο στις 10:39 UTC, ενώ τα ΜΕΤΑRs την ανέφεραν στις 10:50 UTC. Η ορατότητα σύμφωνα με τις παρατηρήσεις ήταν στα 100 m έως και τις 09:00 UTC, ενώ το μοντέλο μέχρι εκείνη την στιγμή προσομοίωσε ομίχλη με λίγο χαμηλότερες τιμές, με την ελάχιστη να είναι στα 70 m. Ακόμη, υπολογίστηκαν στατιστικοί δείκτες και βρέθηκε η γραμμική σχέση μέσω της θεωρίας ελαχίστων τετραγώνων, για κάθε ημέρα προσομοίωσης ξεχωριστά. Κατά την πρώτη μέρα βρέθηκε πολύ καλή γραμμική σχέση μεταξύ του μοντέλου και των παρατηρήσεων για τη θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και την ηλιακή ακτινοβολία, με συντελεστές συσχέτισης R ίσους με 0.980, 0.938 και 0.955, αντίστοιχα. Ακόμη, το RMSE (Root Mean Squared Error) και το BIAS ήταν 0.74 (14.5 %) και -0.13 (-2.6 %), αντίστοιχα, για τη θερμοκρασία στα 2 m, 2.83% (2.94 %) και 0.42% (0.4 %) για τη σχετική υγρασία στα 2 m και 48.55 W/m2 (62.0 %) και -13.49 W/m2 (-17.24 % ) για την ηλιακή ακτινοβολία, αντίστοιχα. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους εμφάνισε καλή γραμμική σχέση με συντελεστή R= 0.989, όμως παρουσίαζε μεγάλη υποεκτίμηση της ελάχιστης τιμής, έως και 6 K (69.0 %), με το RMSE και το BIAS να είναι 3.86 Κ (44.4 %) και -3.26 Κ (-37.5 %), αντίστοιχα. Η υπέρυθρη ακτινοβολία εμφάνισε τη χειρότερη γραμμική συσχέτιση με τις τιμές των R, RMSE και BIAS να είναι ίσες με 0.739, 17.02 (49.8 %) και -13.99 (-40.9%) W/m2, αντίστοιχα. Τις επόμενες δύο ημέρες (δεύτερη και τρίτη του επεισοδίου) της προσομοίωσης τα παραπάνω στατιστικά χειροτέρεψαν σταδιακά. Τέλος, για τη διερεύνηση της επίδρασης των σωματιδίων καύσης βιομάζας στην ομίχλη, πραγματοποιήθηκαν με το μοντέλο MiFog τέσσερις προσομοιώσεις με διαφορετικά σενάρια εκπομπών, τα οποία περιγράφουν περιπτώσεις χωρίς αιθαλομίχλη, με ήπια αιθαλομίχλη και με έντονη (με φρέσκα και γερασμένα σωματίδια) αιθαλομίχλη. Κάθε περίπτωση χαρακτηρίστηκε από διαφορετική αριθμητική κατανομή σωματιδίων και διαφορετικό υδατοδιαλυτό μέρος (ε), με τις προσομοιώσεις έντονης αιθαλομίχλης με φρέσκα σωματίδια να έχουν μικρότερες τιμές (ε) σε σχέση με τα γερασμένα. Οι τιμές του υδατοδιαλυτού μέρους βασίστηκαν σε μετρήσεις της εκστρατείας PANACEA στα Ιωάννινα. Προέκυψε ότι, όταν υπάρχει αιθαλομίχλη σχηματίζεται ευκολότερα και πυκνότερη ομίχλη από ό,τι χωρίς αιθαλομίχλη, ενώ η παρουσία ισχυρότερης αιθαλομίχλης οδηγεί στη δημιουργία ακόμη πυκνότερης και μεγαλύτερης διάρκειας ομίχλης. Οι ορατότητες των τεσσάρων προαναφερθέντων προσομοιώσεων κυμάνθηκαν περίπου στα 200, 150, 100 και 80 m, με τις ελάχιστες τιμές να φθάνουν τα 133, 107, 72 και 57 m, αντίστοιχα. Η περίπτωση έντονης αιθαλομίχλης με γερασμένα σωματίδια παρουσίασε τη μέγιστη τιμή LWP (Liquid Water Path), 27.5 g/m², ενώ η περίπτωση χωρίς αιθαλομίχλη την ελάχιστη, 12.5 g/m². Οι περιπτώσεις έντονης (με φρέσκα) και ήπιας αιθαλομίχλης εμφάνισαν ενδιάμεσες τιμές LWP, με μέγιστα 15 και 22.5 g/m², αντίστοιχα. Όλα τα σενάρια προσομοιώνουν παρόμοιο ύψος ομίχλης, με μέγιστο ύψος στα περίπου 80 m. Η έναρξη της ομίχλης παρατηρήθηκε μετά τις 18:00 UTC, σε όλες τις προσομοιώσεις, ενώ η διάλυσή της εκτιμήθηκε στις 09:54, 10:06, 10:05 UTC, για τα σενάρια χωρίς, ήπιας και έντονης με φρέσκα σωματίδια αιθαλομίχλης, ενώ στην περίπτωση της έντονης αιθαλομίχλης με γερασμένα αερολύματα η διάλυσή της καθυστέρησε κατά περίπου μία ώρα, έως τις 11:01 UTC. | el |
| heal.abstract | In this study, we implemented two numerical weather prediction fog models for the region of Ioannina with the aim of firstly forecasting and studying fog and secondly investigating the effect of locally emitted biomass burning aerosols in fog properties, which represents the first study of its kind conducted in Greece. To accomplice the above goals we implemented two one dimensional (1-D) fog models, MiFog (Microphysical Fog) and PaFog (Parameterized Fog). These models have common dynamic, turbulent, radiation and soil modules while their differences are in the microphysical module. MiFog has a full microphysics scheme while PaFog has a parameterized scheme. To initialize the models, ground -air and surface meteorological data is used from the University of Ioannina (UoI). The atmospheric vertical profile is estimated with the use of MERRA-2 reanalysis data, due to lack of local radiosondes. Moreover, in MiFog, aerosols are modeled using theoretical number size distributions along with their soluble fraction (ε). In contrast, Pafog uses aerosol number concentrations and their activation to cloud droplets is described through a parameterization scheme. Firstly, the fog and intense smog episodes, as well as their common occurrences, were identified for Ioannina, over approximately three-year period (05/2019 – 02/2022). The intense smog days were determined based on threshold values of particulate matter (PM) concentrations using data obtained from the Environmental Station of the Epirus Region. Fog days were identified using METARs from the airport of Ioannina, which record the date and hour of fog occurrences at thirty minutes intervals. Afterwards, the models were initialized for a selected three day fog-smog episode that took place on 16-19/12/2020. Given the absence of directly observable input parameters, we performed sensitivity analyses to assess how variations in initial conditions influence the model outputs and to quantify the associated uncertainty ranges. The input parameters examined in these sensitivity tests included the temperature atmospheric vertical profile, the strength of subsidence (vertical wind), the aerosol mixing height, the soil type, the temperature and moisture profile of soil, aerosol type, number concentration and soluble fraction (ε) and lastly the model initialization time. These tests showed that the models are very sensitive to temperature vertical profiles, soil type and moisture and aerosol type. The models exhibited lower sensitivity to the strength of subsidence, the aerosol mixing height, number concentration of aerosols and their soluble fraction. Models are least sensitive to the temperature profile of the soil. Also, for small changes in initialization time, in magnitude of few hours, results do not diverge significantly. According to the results of the above sensitivity tests, we create a realistic simulation of the selected fog-smog episode. This simulation was performed using MiFog model, as it incorporates a comprehensive microphysical module and thus provides more realistic results compared to the parameterized scheme used in PaFog. This simulation was validated and compared with meteorological data of UoI, while the fog dissipation time was compared with visibility data from HNM (Hellenic National Meteorological service) and METARs from the airport of Ioannina. The comparison between simulation and observations, for the first episode day, showed very good covariance for the 2 m temperature and relative humidity and for the surface solar radiation. However, all these parameters showed small discrepancies with observations during noon. On the other hand, the surface temperature and surface infrared radiation showed good covariance with observations however the model significantly underestimated their magnitudes. The fog dissipation time of the model, for the first day was estimated at 10:39 UTC, while METARs reported fog dissipation time at 10:50 UTC. The visibility according to observations was at 100 m until 09:00 UTC, whereas the model simulated lower visibilities with a minimum value of 70 m. Moreover, statistical indices were calculated, and the least square theory was applied for each separate episode day. During the first day model showed very good linear relationship with observations for the 2 m temperature, 2 m relative humidity and surface solar radiation with their correlation coefficients (R) being equal to 0.980, 0.938, 0.955, respectively. Also, RMSE (Root Mean Squared Error) and BIAS were 0.74 (14.5 %) and -0.13 (-2.6 %) for 2 m temperature, 2.83% (2.94 %) and 0.42% (0.4 %) for 2m relative humidity and 48.55 W/m2 (62.0 %) and -13.49 W/m2 (-17.24 %) for surface solar radiation, respectively. The surface temperature showed very good linear relationship with observations with correlation coefficient equal to 0.989, but showed large underestimation of low temperature values up to 6 K (69.0 %), with RMSE and BIAS equal to 3.86 Κ (44.4 %) and -3.26 Κ (-37.5 %), respectively. The surface infrared radiation exhibited the weakest linear relationship with the values of R, RMSE and BIAS equal to 0.739, 17.02 (49.8 %) and -13.99 (-40.9%) W/m2, respectively. The next two days (second and third episode days) of simulations results showed gradual deterioration of the above statistics for all parameters. Finally, for the investigation of the effect of local biomass burning aerosols on fog properties we performed four distinct simulations for cases of no, light, heavy (with fresh and aged aerosols) smog. Each case was characterized by the different aerosol number size distribution and soluble fraction (ε). The simulations of heavy smog with fresh and aged biomass burning aerosols differ only in the soluble fraction, with the fresh aerosols having lower soluble fraction compared to the aged ones. The values of soluble fraction are based on measurements during the PANACEA campaign in Ioannina. These simulations show that when smog is present, fog forms more easily and becomes denser. Under stronger smog conditions, the fog becomes even thicker and its dissipation is further delayed. The visibilities of the previously mentioned simulations, fluctuate at around 200, 150, 100 and 80 m with the minimum values being equal to 133, 107, 72 and 57 m, respectively. The case of heavy smog with aged aerosols exhibits the highest LWP with value at 27.5 g/m², while the no smog case showed the minimum value at 12.5 g/m². The cases of heavy (with fresh) and light smog showed intermediate values with their peaks being at 15 and 22.5 g/m2, respectively. All scenarios simulate same fog height with the maximum value at 80 m. In all smog scenarios, fog occurs after 18:00 UTC and dissipates at 09:54, 10:06, 10:05, UTC for the no, light and heavy (with fresh aerosols) smog scenarios, respectively. In the case of heavy smog with aged aerosols fog dissipates one hour later at 11:01 UTC. | en |
| heal.advisorName | Χατζηαναστασίου, Νικόλαος | el |
| heal.committeeMemberName | Μιχαλόπουλος, Νικόλαος | el |
| heal.committeeMemberName | Φωτιάδη, Αγγελική | el |
| heal.committeeMemberName | Χατζηαναστασίου, Νικόλαος | el |
| heal.academicPublisher | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Φυσικής | el |
| heal.academicPublisherID | uoi | el |
| heal.numberOfPages | 125 | el |
| heal.fullTextAvailability | true | - |
| Appears in Collections: | Διατριβές Μεταπτυχιακής Έρευνας (Masters) - ΦΥΣ | |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Nasikas-MSc.pdf | 13.75 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License
