Search

Μη διαθέσιμη περίληψη Not available summarization Presented on

Summarization: The purpose of this paper is to contribute to the understanding of the importance of the initial soil moisture state for flash flood magnitudes. Four extreme events that occurred in different case study regions were analysed, one winter and one autumn flash flood in the Giofiros and Almirida catchments in Crete, and two summer floods in the Rastenberg catchment in Austria. The hydrological processes were simulated by the spatially distributed flash flood model Kampus. For the Crete cases Kampus model was calibrated against remotely sensed soil moisture while for the Austrian case the model was calibrated against observed runoff. Kampus model was then used to estimate the sensitivity of the stream flow peak to initial soil moisture. The largest of the events analysed (in terms of specific peak discharge) was found to have a sensitivity of less than 0.2% flood peak change per % soil moisture change while the smallest event had a sensitivity of more than 3% flood peak change per % soil moisture change. This suggests that initial soil moisture effects on the flash flood response probably depend on event magnitude rather than on the climate or region. Moreover, the Austrian catchment was found to exhibit a more nonlinear relationship between antecedent soil moisture and the peak discharge than the Cretan catchments which was explained by differences in the soil type. Presented on: Journal of Hydrology

Μη διαθέσιμη περίληψη Not available summarization Presented on

Summarization: The fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) is the most recent coordinated experiment of global climate modeling. Compared to its predecessor CMIP3, the fifth phase of the homonymous experiment—CMIP5 involves a greater number of GCMs, run at higher resolutions with more complex components. Here we use daily GCM data from both projects to test their efficiency in representing precipitation and temperature parameters with the use of a state of the art high resolution gridded global dataset for land areas and for the period 1960–2005. Two simple metrics, a comprehensive histogram similarity metric based on the match of simulated and observed empirical pdfs and a metric for the representation of the annual cycle were employed as performance indicators. The metrics were used to assess the skill of each GCM at the entire spectrum of precipitation and temperature pdfs but also for the upper and lower tails of it. Results are presented globally and regionally for 26 land regions that represent different climatic regimes, covering the total earth’s land surface except for Antarctica. Compared to CMIP3, CMIP5 models perform better in simulating precipitation including relatively intense events and the fraction of wet days. For temperature the improvement is not as clear except for the upper and lower hot and cold events of the distribution. The agreement of model simulations is also considerably increased in CMIP5. Substantial improvement in intense precipitation is observed over North Europe, Central and Eastern North America and North East Europe. Nevertheless, in both ensembles some models clearly perform better than others from a histogram similarity point of view. The derived skill score metrics provide essential information for impact studies based on global or regional land area multi-model ensembles. Presented on: Climate Dynamics

The extent and impact of climate‐related extreme events depend on the underlying meteorological, hydrological, or climatological drivers as well as on human factors such as land use or population density. Here we quantify the pure effect of historical and future climate change on the exposure of land and population to extreme climate impact events using an unprecedentedly large ensemble of harmonized climate impact simulations from the Inter‐Sectoral Impact Model Intercomparison Project phase 2b. Our results indicate that global warming has already more than doubled both the global land area and the global population annually exposed to all six categories of extreme events considered: river floods, tropical cyclones, crop failure, wildfires, droughts, and heatwaves. Global warming of 2°C relative to preindustrial conditions is projected to lead to a more than fivefold increase in cross‐category aggregate exposure globally. Changes in exposure are unevenly distributed, with tropical and subtropical regions facing larger increases than higher latitudes. The largest increases in overall exposure are projected for the population of South Asia., Earth's Future, 8 (12), ISSN:2328-4277

Μη διαθέσιμη περίληψη Not available summarization Presented on

Μη διαθέσιμη περίληψη Not available summarization Presented on

Τα παγκόσμια μοντέλα χερσαίων διεργασιών (Land Surface Models), προσομοιώνουν διάφορες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια του εδάφους, σχετικές με το ισοζύγιο ενέργειας, τον υδρολογικό κύκλο, τον κύκλο του άνθρακα κ.ά. Έχουν αναπτυχθεί για μία πληθώρα εφαρμογών, μεταξύ αυτών η αξιολόγηση του αντίκτυπου της αλλαγής μιας συγκεκριμένης διαδικασίας στο συνολικό οικοσύστημα, π.χ. του αντίκτυπου της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογία και της μελέτης πιθανών αλληλεπιδράσεων. Λόγω της μεγάλης πολυπλοκότητάς τους, η εξέλιξη αυτών των μοντέλων είναι μια διαρκής και εργώδης διαδικασία, όπως για παράδειγμα η περίπτωση του μοντέλου JULES (Joint UK Land Environment Simulator), που αναπτύχθηκε και εξελίσσεται από μια ευρεία κοινότητα ερευνητών. Είναι γεγονός, ότι παρόλο το υψηλό επίπεδο εξέλιξης του μοντέλου, ορισμένες διεργασίες αντιμετωπίζουν φειδωλή παραμετροποίηση. Μία από αυτές τις διεργασίες είναι η διόδευση της επιφανειακής απορροής, όπως αυτή προσομοιώνεται από το υπό-σύστημα TRIP (Total Runoff Integrating Pathways). Στην παγκόσμιας κλίμακας παραμετροποίησή του το TRIP χρησιμοποιεί ενιαία χαρακτηριστικά ταχύτητας απορροής και μαιανδρισμού για όλη τη χερσαία επιφάνεια της γης, ανεξαρτήτως των πραγματικών φυσιογραφικών ιδιαιτεροτήτων κάθε περιοχής. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η βελτίωση της διόδευσης της επιφανειακής απορροής, μέσω της βελτιστοποίησης των παραμέτρων ταχύτητας ροής και συντελεστή μαιανδρισμού, σε ένα δείγμα 360 λεκανών απορροής, και η έπειτα συσχέτιση αυτών με φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της εκάστοτε λεκάνης, με στόχο τη δυνατότητα γενίκευσης σε παγκόσμια κλίμακα. Τα δεδομένα που υποστήριξαν την ανάπτυξη της μεθοδολογίας βελτιστοποίησης ήταν καταγεγραμμένες παροχές από την παγκόσμια βάση GRDC και φυσιογραφικά χαρακτηριστικά του HydroATLAS. Ένα παραγοντικό πείραμα εκτελέστηκε, μελετώντας συνδυαστικά είκοσι τιμές ταχύτητας ροής και δώδεκα συντελεστές μαιανδρισμού, καταλήγοντας σε 198 προσομοιώσεις. Ο δείκτης Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση των παροχών του μοντέλου για κάθε σετ παραμέτρων διόδευσης. Αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι βελτιστοποίησης, με την πρώτη να επιλέγει το σετ με την καλύτερη βελτίωση του NSE σε σχέση με την απόκλιση των παραμέτρων από τις προκαθορισμένες, και τη δεύτερη να αναθέτει ενιαία τιμή παραμέτρων βάσει κατηγοριοποίησης των λεκανών. Στη συνέχεια, με τη χρήση ενός νευρωνικού δικτύου προσαρμογής και ενός κατηγοριοποίησης, για κάθε μέθοδο αντίστοιχα, συσχετίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι διόδευσης με φυσιογραφικά χαρακτηριστικά κάθε λεκάνης. Τα εκπαιδευμένα νευρωνικά δίκτυα, εφαρμόσθηκαν στις λεκάνες απορροής του HydroATLAS για την παρέκταση της εκάστοτε μεθόδου σε παγκόσμια κλίμακα. Τα χωρικά κατανεμημένα βέλτιστα σετ παραμέτρων διόδευσης, από κάθε μέθοδο, είναι διαθέσιμα για εισαγωγή στο υπό-σύστημα TRIP, προσφέροντας τη δυνατότητα βελτιωμένης διόδευσης της παγκόσμιας απορροής, καθώς και της συνολικής αναπαράστασης του υδρολογικού κύκλου του JULES., Land Surface Models (LSMs) simulate various processes of the terrestrial land surface related to the energy balance, the hydrological cycle, the carbon cycle, etc. LSMs have been developed for a variety of applications, including assessing the impact of modifying a particular process on the ecosystem as a whole, e.g., the impact of climate change on hydrology, and studying potential feedback. Due to their great complexity, the development of these models is a continuous and laborious process. For example, the JULES (Joint UK Land Environment Simulator) model is developed by a broad community of inter-disciplinary researchers. It is a fact that despite the high level of model development, some processes face parsimonious parameterization. One of these processes is the routing of surface runoff as simulated by the TRIP (Total Runoff Integrating Pathways) scheme. In its current global parameterization, TRIP uses uniform velocity and meandering characteristics for the entire land surface regardless of the actual physiographic characteristics of each river basin. This work aims to improve the routing of the surface runoff through the optimization of the effective velocity and meandering ratio parameters. In a sample of 360 global river basins, these parameters are correlated with physiographic characteristics to derive a method of extrapolation at the global scale. The development and application of the method were based on observed river discharge from the global GRDC database and basin-scale physiographic attributes from the HydroATLAS database. A factorial experiment was performed from a combination of 20 setups of effective velocity values and 12 meandering ratios, resulting in a total of 198 simulations. The Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) was employed to assess the model performance for each set of routing parameters. Two optimization methods were developed; in the first method, the optimum routing parameters are defined for the best NSE improvement with the least deviation from the default routing parameters, whereas in the second method a uniform parameter set was assigned based on a categorization of the basins. Neural Networks were used for regression and classification, respectively for each method, correlating the optimal routing parameters with physiographic attributes at the river basin scale. The trained neural networks were applied to the HydroATLAS attributes to extrapolate the routing parameters at the global scale. The spatially distributed optimal routing parameters from each method are available as input into the TRIP scheme, enabling the improved routing of the global runoff and the overall representation of the hydrological cycle in the JULES model.

Περίληψη: Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία προσομοιώνεται ένα αστραπιαίο βροχοπτωτικό συμβάν που έλαβε χώρα στη λεκάνη απορροής της Αλμυρίδας, στη δυτική Κρήτη. Μέσω της υδρολογικής ανάλυσης του πλημμυρικού γεγονότος και της μοντελοποίησης του υδραυλικού κύματος, σκοπός είναι η εκτίμηση των επιπτώσεων στην μικρής έκτασης υδρολογική λεκάνη, διαμέσου συνδυασμού εργαλείων της HEC. Η προσομοίωση του βροχοπτωτικού συμβάντος γίνεται με το υδρολογικό μοντέλο HEC-HMS 4.2.1. Τα βροχοπτωτικά δεδομένα εισάγονται σε κάνναβο, ενώ οι υδρολογικές παράμετροι εισάγονται σε κάθε ένα πλεγματικό κελί. Υπολογίζονται οι υδρολογικές παράμετροι της λεκάνης για τις οποίες διατίθενται στοιχεία, ενώ πραγματοποιείται βαθμονόμηση των υπόλοιπων παραμέτρων, από βιβλιογραφική ανασκόπηση. Γίνεται ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου, και διαπιστώνεται ποιες από τις βαθμονομούμενες παραμέτρους αλλάζουν το χρόνο εμφάνισης της μέγιστης απορροής. Συγχρόνως, ελέγχεται ποιες παράμετροι επηρεάζουν το μέγεθος της μέγιστης απορροής. Κριτήριο βαθμονόμησης των παραμέτρων είναι η επαλήθευση του μοντέλου, με τη μέτρηση των 2m του ύψους ροής, σε διατομή που ελέγχθηκε στο πέρας της πλημμύρας. Η ανάλυση στα κατάντη του ρέματος της Αλμυρίδας, περίπου 960 m, πραγματοποιείται με το υδραυλικό 1D μοντέλο HEC-RAS 5.0.3 προσομοίωσης της πλημμύρας, καθώς και με ένα ενιαίο υδραυλικό 1D/2D μοντέλο, το 1D/2D HEC-RAS 5.0.3 μοντέλο, για τις ανάγκες των οποίων χρησιμοποιείται Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (Digital Terrain Model - DTM) υψηλής ανάλυσης, 5m x 5m. Με τα μοντέλα προσομοίωσης προσδιορίζεται η έκταση της πλημμύρας, το ύψος και η ταχύτητα του πλημμυρικού κύματος στις διατομές του ρέματος, ενώ γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων τους. Μέσω της εφαρμογής των μοντελοποιήσεων με τα εργαλεία της HEC, επισημαίνονται οι πλημμυρικές επιπτώσεις του αιφνίδιου βροχοπτωτικού συμβάντος, και προτείνονται ορισμένα μέτρα περιορισμού των κινδύνων, καταλήγοντας σε συμπεράσματα ιδιαίτερου ενδιαφέροντος. Summarization: In the present Master Science thesis, a flash flood event is simulated occurring in the Almyrida basin, in western Crete. Through the hydrological analysis of the flash flood event and the modeling of the hydraulic wave, the aim is to assess the impacts on the small hydrological basin, via a combination of HEC software. The simulation of the rainfall event occurs with the hydrological HEC-HMS 4.2.1 model. Precipitation data are input into a grid, while hydrological parameters are input into each grid cell. The hydrological parameters of the basin, for which data are available, are calculated, while the remaining parameters are calibrated through a bibliographic review. Sensitivity analysis of the model is carried out, and it is determined which of the calibrated parameters change the time of appearance of peak discharge. At the same time, it is checked which parameters affect the magnitude of peak discharge. Parameter calibration criterion is to verify the model, measuring 2m of water depth in a cross section checked after the flood. The downstream analysis of the Almyrida stream of approximately 960 m, is carried out with the hydraulic 1D HEC-RAS 5.0.3 flood simulation model, as well as a combined hydraulic 1D/2D model, the 1D/2D HEC-RAS 5.0.3 model, for the needs of which a high resolution 5m x 5m Digital Terrain Model (DTM) is used. The simulation models determine the flood extent, the depth and velocity of the flood wave in the stream’s cross sections, while comparing their results. Through the implementation of modeling with HEC software, the flood impacts of the flash flood event are highlighted, and some suggestions are proposed as well to limit the risks, resulting in particularly interesting conclusions.

Μεταπτυχιακή Διατριβή που υποβλήθηκε στη σχολή Μηχανικών Περιβάλλοντος του Πολυτεχνείου Κρήτης για την πλήρωση προϋποθέσεων λήψης του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης. Περίληψη: Η αλάτωση αποτελεί ένα σημαντικό κίνδυνο για την ποιότητα των εδαφών που υποβαθμίζει την αγροτική παραγωγή, την εδαφική γονιμότητα και την ποιότητα των υδατικών πόρων. Σε ξηρικές παράκτιες περιοχές, όπως αυτές της Μεσογείου, η εφαρμογή ποιοτικά υποβαθμισμένης άρδευσης εξαιτίας της υφαλμύρισης των υδροφόρων στρωμάτων σε συνδυασμό με την εντατική καλλιέργεια ενισχύουν την εδαφική αλάτωση και θέτουν σε κίνδυνο την βιωσιμότητα της καλλιεργητικής παραγωγής. Επιπλέον, οι θερμοκηπιακές καλλιέργειες παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες άρδευσης, ενώ η κλιματική σλλαγή δύναται να προκαλέσει επιπλέον αύξηση των αρδευτικών αναγκών λόγω αύξησης της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας. Στην παρούσα μελέτη, το μοντέλο SALTMED βαθμονομήθηκε βάση δεδομένων εδαφικής υγρασίας, εδαφικής αλατότητας και καλλιεργητικής παραγωγής που συλλέχθηκαν κατά την πειραματική καλλιέργεια θερμοκηπιακής τομάτας στις εγκαταστάσεις του Πολυτεχνείου Κρήτης προσομοιώνοντας τις ημι-ξηρικές συνθήκες της Περιοχής Μελέτης (Λεκάνη Τυμπακίου Κρήτης) του Ερευνητικού Έργου RECARE που χρηματοδοτήθηκε από την Ε.Ε. στο πλαίσιο FP7. Το θερμοκηπιακό πείραμα διεξήχθη σε γλάστρες των 30 L με χώμα από την περιοχή μελέτης αρχικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας (ECse) 18 dS m-1 και περιλάμβανε την στάγδην άρδευση 10 φυτών τομάτας με δυο ποιότητες αρδευτικού νερού: χαμηλής αλατότητας (LS, ECw = 1.1 dS m-1) και μέσης αλατότητας (MS, ECw = 3.5 dS m-1). Το βαθμονομημένο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της εδαφικής αλατότητας και της καλλιεργητικής απόδοσης, της ανάγκης σε άρδευση και λήψης ύδατος κάτω από διαφορετικές ποιότητες άρδευσης με ECw που κυμαίνονταν από 1.1 to 7.0 dS m-1 και τις διαφορετικές κλιματικές συνθήκες που εκπροσωπούν πιθανά σενάρια κλιματικής αλλαγής. Η αύξηση της ECw οδήγησε σε σημαντική μείωση της προσομοιωμένης πρόσληψης ύδατος με μη σταθερό ρυθμό απώλειας (17% ανά μοναδιαία αύξηση της ECw για ECw < 3.25 dS m-1 και 30% για ECw > 3.25 dS m-1) και της παραγωγής κατά -17% ανά μοναδιαία αύξηση της ECw, εξαιτίας του αυξημένου ωσμωτικού στρες. Η τελική ECse του εδάφους δεν παρουσιάζει γραμμική σχέση με την ECw, καθώς επηρεάζεται από δύο παράγοντες, την εισερχόμενη ποσότητα άλατος και το διαθέσιμο κλάσμα ύδατος για στράγγιση. Η κλιματική αλλαγή προβλέπεται να αυξήσει την εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας κατά 5-17% με επακόλουθή αύξηση των αναγκών άρδευσης κατά 4-14%. Κάτω από μεταχείριση άρδευσης LS η παραγωγή παρουσιάζει μείωση μικρότερη του 1% ενώ η πρόσληψη ύδατος αυξάνει κατά 4-13% καλύπτοντας τις αυξημένες ανάγκες άρδευσης. Αντίθετα, η αρδευτική μεταχείριση MS παρουσιάζει, επιπρόσθετα από την απώλεια λόγω αλατότητας, μειωμένη παραγωγή κατά 3-7% ενώ η πρόσληψη ύδατος παρουσιάζει μια αύξηση κατά 1-6% της ήδη μειωμένης πρόσληψης λόγω αλατότητας. Η κλιματική αλλαγή, επίσης, αναμένεται να επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα του εδάφους μόνο κάτω από την άρδευση LS με αυξήσεις που φτάνουν τον διπλασιασμό της ECse, ενώ κάτω από άρδευση MS η επίδραση της αλλαγής του κλίματος αποτελεί αμελητέο παράγοντας σε σχέση με την ποιότητα της άρδευσης Summarization: Soil salinity is a major soil degradation threat that hinders agricultural production, soil fertility and water resources quality. In arid coastal environments, such as those of the Mediterranean region, the deteriorated quality of irrigation water due to sea water intrusion and the applied intensive agricultural practices promote soil salinization and compromise the sustainability of agricultural production. On top of these, protected horticultural crops have to cope with increasing irrigation needs, while Climate Change may further augment these needs due to increases in crop evapotranspiration. In this study, the SALTMED model is calibrated using soil moisture, soil salinity and crop yield measurements collected from on a small-scale Solanum lycopersicum (tomato) greenhouse pot experiment that simulates the semi-arid conditions in the RECARE Project Case Study in Greece (Timpaki, Crete). The use of local planting soil with initial Electrical Conductivity (ECse) of 18 dS m-1 and local cultivation practices aims to replicate prevailing conditions at the Case Study. Ten plants are drip irrigated with two irrigation quality treatments: low salinity (LS, ECw = 1.1 dS m-1) and moderately salinity (MS, ECw = 3.5 dS m-1) irrigation water, resulting to high and excessively high final ECse, respectively. Based on these approaches, the calibrated SALTMED model is employed to predict soil salinity and crop’s irrigation needs, water uptake and final yield under different irrigation ECw (ranged from 1.1 to 7.0 dS m-1) and climatic conditions. Increased ECw exerts a profound reduction on modelled water uptake with a changing loss rate (ca. 17% for ECw < 3.25 dS m-1 and 30% for ECw > 3.25 dS m-1) and crop yield (ca. -15% for a unit increase in ECw). The MS treatment leads to a reduced crop yield by 28% and a curtailed water uptake by 29% comparted with the LS treatment. These effects are attributed to the increased osmotic stress. Impact on final soil ECse is also determined by the interaction between the salt inputs and the fraction of water available for leaching. Climate Change increases modelled crop evapotranspiration by 5-17% and water requirements by 4-14% regardless of the irrigation quality. Under the LS treatment, simulated crop yield is not affected by Climate Change and the water uptake is projected to increase by 4-13% balancing the increased water needs. In contrast, the combined effect of poor irrigation quality (MS treatment) and Climate Change leads to reduction in crop yield by 31-35%, while water uptake is reduced by 23-28% compared to the LS treatment. Climate Change provokes an increase upon modelled soil ECse and its impact is greater during the last warmer months of the cultivation. LS treatment concludes to a greater increase of simulated ECse under Climate Change when compared with MS treatment, because of the increased simulated water uptake that reduces water leaching fraction.

Περίληψη: Η κλιματική αλλαγή θα έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στη δριμύτητα των αιφνίδιων πλημμυρών, καθώς αναμένεται εντατικοποίηση των ισχυρών βροχοπτώσεων, τόσο σε περιοχές όπου είναι πιθανό να αυξηθούν οι βροχοπτώσεις, όπως στον ανατολικό Καναδά, αλλά και σε περιοχές όπου, κατά μέσο όρο, δύναται να μειωθούν οι βροχοπτώσεις, όπως στη νοτιοανατολική Μεσόγειο. Η αλλαγή του κλίματος αναμένεται να αυξήσει τα πλημμυρικά βάθη, την ταχύτητα των πλημμυρικών κυμάτων και τις εκτάσεις κατάκλισης, γεγονός που υπαγορεύει την επικαιροποίηση των σχεδίων διαχείρισης κινδύνων πλημμύρας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται: (i) στην υδρολογική προσομοίωση μεμονωμένων καταιγιδοφόρων γεγονότων-κυρίως υψηλής έντασης βροχής-από ιστορικά δεδομένα, αλλά και προβαλλόμενων ισχυρότερα ακραίων βροχοπτωτικών γεγονότων από δεδομένα κλιματικών σεναρίων, σε δύο λεκάνες απορροής που χωροθετούνται στο νησί της Κρήτης και στο νότιο Οντάριο του Καναδά, καθώς και (ii) στις πλημμυρικές επιπτώσεις των παραπάνω γεγονότων στα κατάντη τμήματα των λεκανών απορροής. Για τη μικρής έκτασης υδρολογική λεκάνη στην Κρήτη χωρίς καταγεγραμμένη απορροή, γίνεται βαθμονόμηση παραμέτρων και επικύρωση του υδρογραφήματος ενός ισχυρού βροχοπτωτικού γεγονότος, ώστε να επαληθευθεί το υδρολογικό μοντέλο με έμμεσα στοιχεία πεδίου μετά το πέρας της πλημμύρας. Παρακείμενοι μετεωρολογικοί σταθμοί έχουν καταγράψει αυξημένη ημερήσια βροχόπτωση από ισχυρές καταιγίδες γνωστές ως Medicanes. Για το λόγο αυτό, μελετάται η επίδραση υποθετικών σεναρίων κλιματικής αλλαγής με υψηλότερη ένταση βροχής-για ίδια αθροιστική βροχόπτωση-στο μέγεθος της απορροής αιχμής και στα πλημμυρικά βάθη και εκτάσεις κατάκλισης του κάταντες τμήματος της υδρολογικής λεκάνης, όπως προσομοιώνονται από δύο υδραυλικά μοντέλα. Εξετάζεται η επίδραση διαφορετικών χρονικών βημάτων δεδομένων βροχόπτωσης στην απορροή αιχμής. Διενεργείται ανάλυση ευαισθησίας υδραυλικών συντελεστών. Πραγματοποιείται σύγκριση της εξέλιξης του πλημμυρικού κύματος μεταξύ προσομοιώσεων με βάση δύο ψηφιακών μοντέλων υψομετρίας (DEMs) υψηλής ανάλυσης για το ιστορικό γεγονός και για προβαλλόμενο γεγονός από κλιματικό μοντέλο. Για τη μεσαίου μεγέθους υδρολογική λεκάνη στο Οντάριο του Καναδά, που διαθέτει μετρήσεις απορροής στην έξοδο έξι υπολεκανών της, γίνεται βαθμονόμηση παραμέτρων και επικύρωση υδρογραφημάτων για έξι μεμονωμένα βροχοπτωτικά γεγονότα, ομαδοποιημένα σε ζεύγη με παρόμοια υδρομετεωρολογικά χαρακτηριστικά (υψηλή ένταση βροχόπτωσης, δύο υδρολογικές αιχμές, και πολλαπλές συνθήκες πρότερης εδαφικής υγρασίας) ώστε να επαληθευτούν τα αποτελέσματα από δύο υδρολογικά μοντέλα μέσω του συντελεστή συνέπειας Nash–Sutcliffe και του δείκτη % σφάλματος του συνολικού όγκου βροχής. Μελετάται η επίδραση προβαλλόμενων ημερήσιων βροχοπτώσεων από 24 κλιματικά μοντέλα στην απορροή αιχμής των έξι υπολεκανών. Για το λόγο αυτό, για τις εικοσαετίες 1995-2014, 2021-2040, 2041-2060, και 2081-2100, εξετάζονται οι μέσες τιμές-από τα 24 κλιματικά μοντέλα-των μέγιστων ημερήσιων γεγονότων βροχόπτωσης, καθώς και των ημερήσιων γεγονότων βροχόπτωσης που αντιστοιχούν στο 99.9 εκατοστημόριο, για τα σενάρια RCP4.5 και RCP8.5. Πραγματοποιείται σύγκριση των πλημμυρικών επιπτώσεων στην κατάντη περιοχή από τα προβαλλόμενα γεγονότα με δύο υδραυλικά μοντέλα και ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DTM) υψηλής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στοχεύουν να ωφελήσουν στην πρόβλεψη απορροών μελλοντικών γεγονότων, στη χαρτογράφηση της πλημμυρικής επικινδυνότητας των εξεταζόμενων λεκανών, και στην επικαιροποίηση του προγραμματισμού για τη διαχείριση πλημμυρών, για μια επιτυχημένη προσαρμογή στο μεταβαλλόμενο κλίμα. Τα αποτελέσματα της προσέγγισης που ακολουθήθηκε, για τις δύο λεκάνες απορροής, είναι χρήσιμα σε προκαταρκτικό επίπεδο διαχείρισης της πλημμυρικής επικινδυνότητας. Για τη μείωση των αβεβαιοτήτων στις τιμές των παραμέτρων στο χώρο και στο χρόνο, και την εξαγωγή ικανοποιητικών και λεπτομερών αποτελεσμάτων που απαιτούνται για τον τελικό σχεδιασμό έναντι πλημμυρικού κινδύνου, είναι απαραίτητη η μελλοντική έρευνα με κλιματικά δεδομένα και μετρήσεις πεδίου ακόμη υψηλότερης ανάλυσης, χωρικά και χρονικά.

Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά τα υδρο-μετεωρολογικά αίτια των αγροτοδασικών πυρκαγιών σε μεσογειακά περιβάλλοντα και ιδιαίτερα στην περιοχή της Ελλάδας Αγροτοδασική πυρκαγιά (αγγλ. Wildfire/Bushfire) ονομάζεται η πυρκαγιά εκείνη, η οποία εμφανίζεται σε δασική ή αγροτική περιοχή ή γενικά στην ύπαιθρο και αποτελείται από μη επιθυμητή και ανεξέλεγκτη φωτιά σε περιοχές συνήθως πυκνής βλάστησης, με πλούσια καύσιμη ύλη και σε ποιότητα αλλά και σε ποσότητα. Υδρο-μετεωρολογικοί παράγοντες θεωρούνται η βροχόπτωση (ύψος στήλης βροχόπτωσης mm), η ταχύτητα του ανέμου (m/s), η θερμοκρασία (ºC), η σχετική υγρασία (% humidity) και η μετεωρολογική ξηρασία όπως αυτή περιγράφεται από τον δείκτη ξηρασίας SPI3 (std.). Σκοπός της εργασίας είναι η συσχέτιση των υδρο-μετεωρολογικών παραμέτρων με το σύνολο της καμένης έκτασης κάθε επιμέρους νομού της επικράτειας για τα έτη 2000-2020, μέσω της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης, με τη βοήθεια του στατιστικού προγράμματος SPSS® της εταιρίας IBM© και των υπολογιστικών φύλλων Microsoft Office Excel®. Στα αποτελέσματα που εξήχθησαν χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές προσδιορισμού (R2) ως προς την αξιοπιστία των μοντέλων με τιμές που αγγίζουν το 0,671 καθώς και οι κανονικοποιημένοι συντελεστές βήτα (beta) που χρησιμοποιήθηκαν για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης των εκάστοτε παραμέτρων επί της ποσότητας της καμένης χερσαίας γης. Οι εκάστοτε τιμές αυτών δίνονται με τη μορφή πινάκων, ραβδογραμμάτων αλλά και διαγραμμάτων τάσεως στην ενότητα «Στατιστική Ανάλυση Υδρο-μετεωρολογικών Παραμέτρων» (σελ. 66). Η χρησιμότητα των αποτελεσμάτων αυτών είναι η μελέτη της αύξησης ή/και μείωσης των καμένων εκτάσεων λόγω μεταβολής των παραμέτρων σε βάθους χρόνου και η εκτίμηση για τη μελλοντική συμπεριφορά των πυρκαγιών λόγω κλιματικών διαταραχών. Τέλος, ως μελλοντική έρευνα προτείνεται η εστίαση σε συγκεκριμένες περιοχές της Ελλάδας όπου και εντείνονται τα φαινόμενα των δασικών πυρκαγιών, με επιπλέον μελέτη ως προς τα είδη της καμένης φυτικής κάλυψης, με σκοπό την εύρεση εκείνης της καύσιμης ύλης που επιβαρύνει το πρόβλημα., The present dissertation studies/focuses on the hydro-meteorological causes of agroforestry fires in Mediterranean environments and especially in the region of Greece Wildfire / Bushfire is the fire that occurs in a forest or rural area or in the countryside in general and consists of unwanted and uncontrolled fire in areas of usually dense vegetation, with rich fuel and quality but also in quantity. Hydro-meteorological factors are considered to be rainfall (precipitation column height mm), wind speed (m/s), temperature (ºC), relative humidity (% humidity) and meteorological drought as described by the drought index SPI3 ( std.). The aim of this work is to correlate the hydro-meteorological parameters with the total burned area of each sub-prefecture of the territory for the years 2000-2020, through the multiple linear regression, with the help of the statistical program SPSS® of the company IBM© and the spreadsheets of Microsoft Office Excel®. In the results obtained, the coefficients of determination (R2) were used for the reliability of the models with values approaching 0.671 as well as the normalized beta coefficients (beta) that were used to quantify the effect of the respective parameters on the amount of burned land. The respective values are given in the form of tables, bar graphs and trend diagrams in the section "Statistical Analysis of Hydro-meteorological Parameters" (p. 66). The usefulness of these results is the study of the increase or/and decrease of the burned areas due to the change of the parameters in the long run and the estimation for the future behavior of the fires due to climatic disturbances. Finally, as a future research, it is proposed to focus on specific areas of Greece where the effects of forest fires are intensifying, with an additional study on the types of burned vegetation, in order to find the fuel that aggravates the problem.

Περίληψη: Οι ακραίες βροχοπτώσεις αποτελούν σοβαρή κοινωνικό-οικονομική απειλή στις σύγχρονες κοινωνίες. Η δραστηριότητα τόσο των υφέσεων όσο και των κεραυνών συνδέεται με την εκδήλωση ακραίων βροχοπτώσεων. Ισχυρές βροχοπτώσεις και πλημμύρες πολύ συχνά συνδέονται με το πέρασμα υφέσεων, ιδιαίτερα στην περιοχή της Μεσογείου. Επιπλέον, φαινόμενα καταιγίδας, στα οποία οι κεραυνοί αποτελούν χαρακτηριστικό γνώρισμα, σε πολλές περιπτώσεις καταλήγουν σε ακραία φαινόμενα βροχής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται ακραία υδρο-μετεωρολογικά φαινόμενα στην ανατολική Μεσόγειο. Πιο συγκεκριμένα διερευνάται η πιθανή συσχέτιση που έχει η εκδήλωση έντονων βροχοπτώσεων με χαρακτηριστικά των υφέσεων για την περίοδο 1979-2011 και με τους κεραυνούς για την περίοδο 2012-2014. Περιοχή μελέτης σε αυτή την εργασία είναι το νησί της Κρήτης. Οι βροχοπτώσεις που χρησιμοποιήθηκαν αφορούν σε μετρήσεις βροχομετρικών σταθμών σε διάφορες περιοχές της Κρήτης. Για την επεξεργασία και εξαγωγή των χαρακτηριστικών των υφέσεων χρησιμοποιήθηκαν πλεγματικά δεδομένα ανάλυσης 0.5ο×0.5ο, ERA-INTERIM του Ευρωπαϊκού Μετεωρολογικού Κέντρου Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων (ECMWF). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα κεραυνών από το Παγκόσμιο Δίκτυο Καταγραφής Ηλεκτρικών Εκκενώσεων (GLN). Η θέση και η προέλευση των υφέσεων αλλά και δυναμικά χαρακτηριστικά τους όπως η ακτίνα, το βάθος, η πίεση, η ένταση και η ταχύτητα αναλύθηκαν και συσχετίστηκαν με την ένταση διαφορετικών βροχοπτώσεων. Με αξιοποίηση των χαρακτηριστικών των υφέσεων σχεδιάστηκε ένα απλό πιθανοτικό μοντέλο πρόβλεψης της βροχόπτωσης. Έγινε αξιολόγηση της προγνωστικής δυναμικής του μοντέλου πάνω σε τυχαία δείγματα υφέσεων. Μελετήθηκε επίσης η δραστηριότητα των κεραυνών και κατά πόσο αυτοί συσχετίζονται με τη βροχή. Στη συνέχεια εξετάστηκαν δύο τεχνικές που βασίζονται σε διαφορετική προσέγγιση· στην πρώτη το κέντρο της ανάλυσης αποτελεί ο σταθμός καταγραφής της βροχής ενώ στη δεύτερη το ‘νέφος’ των κεραυνών. Τα χαρακτηριστικά των υφέσεων προκύπτει ότι συσχετίζονται με την ένταση της βροχής. Η περιοχή που εξελίσσεται η ύφεση αλλά και τυχόν ακραίες τιμές στις δυναμικές παραμέτρους της σηματοδοτούν αντίστοιχα γεγονότα βροχής. Για τους κεραυνούς, βρέθηκε ότι η πιθανότητα να έχουμε βροχή κοντά σε ‘νέφος’ κεραυνών είναι αυξημένη, όπως επίσης και ότι ο αριθμός των κεραυνών έχει καλή συσχέτιση με την ένταση της βροχής. Περίληψη: Extreme rainfall comprises a major socio-economic threat in modern societies. The cyclone and lightning activity is associated with extreme rainfall in many cases. Intense precipitation and floods are frequently related to cyclone passages, especially in the Mediterranean region. Also, thunderstorms are frequently responsible for intense rain events. In this work extreme hydro-meteorological events in eastern Mediterranean region are studied. More specifically, the correlation between intense rainfall, with cyclones for the period 1979-2011, and with lightning for the period 2012-2014 is investigated. The case study focuses in Crete Island, Greece. Rain is recorded in meteorological stations in various locations over Crete. For the cyclones, gridded data of high spatial resolution 0.5οx0.5ο mean sea level pressure (MSLP) ERA-INTERIM of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), are used. Also, lightning data from the Global Lightning Network (GLN) are used. The characteristics of the cyclones in the region of eastern Mediterranean related with rain events of different intensity are studied. The position, the origination as well as the dynamic characteristics of the cyclones such as the radius, the depth, the pressure, the intensity and the velocity are analyzed and correlated with the rain intensity. Taking into account the cyclone characteristics, a simple model for rain prediction is developed. The rain prediction model is evaluated on random cyclone samples. The lightning flashes and their relation to rain is also investigated. Two different methodologies are examined, the center of analysis in the first case is the lightning cluster center and in the second is the meteorological station location. The cyclone characteristics are found to be correlated with the rain intensity. The region of the cyclone evolution as well as the dynamic parameters of the cyclones are correlated with the corresponding rain events. As far as lightning is concerned, it is found that there is an increased probability of rain in an area around the lightning cluster. Moreover, the number of lightning flashes has a good correlation with the amount of rain.

Περίληψη: Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι επιπτώσεις της αλάτωσης του εδάφους σε καλλιέργειες θερμοκηπίων. Τα εξεταζόμενα σενάρια είναι τα εξής: (α) νερό άρδευσης σε εύρος αγωγιμότητας μεταξύ 1 dS/m και 3 dS/m, (β) αντικατάσταση καλλιέργειας για αυξημένη αντοχή και (γ) κλιματική ποικιλία με σκοπό να υπολογιστεί η επίδραση της κλιματικής αλλαγής. Προκειμένου να εξαχθούν ουσιαστικά συμπεράσματα, είναι απαραίτητη η χρήση ενός μοντέλου που λαμβάνει υπόψη την αλληλεπίδραση της αλάτωσης με παράγοντες όπως: η βλάστηση, το έδαφος, το νερό άρδευσης και οι κλιματικές συνθήκες. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε το μοντέλο SALTMED. Το μοντέλο SALTMED είναι ένα αξιόπιστο και δοκιμασμένο μοντέλο φυσικών διεργασιών που προσομοιώνει την εξατμισοδιαπνοή, την πρόσληψη νερού και διαλυτών στοιχείων από το φυτό με σκοπό τον υπολογισμό της απόδοσης καλλιέργειας και της παραγόμενης βιομάζας από όλα τα αρδευτικά συστήματα. Το SALTMED δοκιμάστηκε με τα παραπάνω σενάρια στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος RECARE (FP7) με περιοχή μελέτης το Τυμπάκι, στην περιφερειακή ενότητα Ηρακλείου Κρήτης. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για κάποιες από τις τυπικές καλλιέργειες της περιοχής των ειδών Solanum lycopersicum (ντομάτα), Capsicum annuum (πιπεριά) και Solanum melongena (μελιτζάνα). Τα αποτελέσματα αφορούν τη δημιουργία των προφίλ της αλάτωσης και την απόδοση της καλλιέργειας. Όπως, αποδείχθηκε, η αλάτωση είναι εντονότερη όταν η αγωγιμότητα του νερού και του εδάφους είναι υψηλή. Αυτό σημαίνει ότι είναι αποτέλεσμα της ποιότητας του νερού άρδευσης επηρεάζοντας και την απόδοση της καλλιέργειας. Η καλλιέργεια της ντομάτας παρουσίασε τη μεγαλύτερη πτώση απόδοσης σε σχέση με τις υπόλοιπες εξεταζόμενες καλλιέργειες. Πιο συγκεκριμένα, βάσει σεναρίων η πτώση μπορεί να ξεπεράσει το 67% σε σχέση με την μέγιστη δυνατή απόδοση καλλιέργειας. Επιπλέον, η αλάτωση και η έκτασή της στο έδαφος εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας. Η καλλιέργεια της ντομάτας, βάσει των αποτελεσμάτων δείχνει να συμβάλλει σε μεγαλύτερο βαθμό στην αλάτωση σε σχέση με τις καλλιέργειες της μελιτζάνας και της πιπεριάς. Η μεταβολή της θερμοκρασίας είναι επίσης ένας παράγοντας που συμβάλλει στην όξυνση του φαινομένου. Summarization: In this study we assess the effects of soil salinization on greenhouse crops. The study deals with the following scenarios: (a) variation of irrigation water salinity from 1 dS/m to 3 dS/m, (b) crop substitution for increased tolerance and (c) climatic variability to account for the impact of climate change. In order to draw meaningful conclusions, a model that takes into account vegetation interaction, soil, irrigation water and climate variables is required. The SALTMED model is a reliable and tested physical process model that simulates evapotranspiration, plant water uptake, water and solute transport to estimate crop yield and biomass production under all irrigation systems. SALTMED is tested with the above scenarios under the European FP7 funded Project RECARE, (case study Timpaki, Crete, Greece). Simulations are conducted for typical cultivations of Solanum lycopersicum, Capsicum annuum and Solanum melongena. The results of this study include the creation of the salinization profiles in soil and the crop yield of the cultivations of tomato, eggplant, and pepper. Results indicate that salinization is more acute when water and soil salinity have high values. It is also observed that salinization depends on the irrigation water quality and the crop and diminishes the crop yield. The cultivation of tomato had the highest crop yield decline in comparison to the rest of the examined cultivations. More specifically, according to the examined scenarios the crop yield decline of tomato can be over 67% compared with the highest possible crop yield. In addition, the cultivation of tomato has the biggest impact on the soil salinization amongst the examined cultivations. Finally, the temperature change is a factor that triggers the salinization effects.

Περίληψη: Η αυξημένη ζήτηση αγροτικών προϊόντων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των αναγκών σε αρδευτικά ύδατα καλής ποιότητας. Ιδιαίτερα σε ξηρά ή ημίξηρα κλίματα, το φαινόμενο της μη-επάρκειας των υδατικών πόρων είναι εντονότερο. Αυτή η κατάσταση μπορεί να αντιμετωπιστεί με την ορθολογικότερη διαχείριση των υδάτινων πόρων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η δυνατότητα εκμετάλλευσης των όμβριων υδάτων, μέσω της αποθήκευσής τους σε δεξαμενή, για την κάλυψη μέρους των αρδευτικών αναγκών της καλλιέργειας ντομάτας σε θερμοκήπιο. Πρόκειται για μια πρακτική που εντάσσεται στο WOCAT (World Overview of Conservation Approaches and Technologies), ένα παγκόσμιο δίκτυο που υποστηρίζει την καινοτομία και τις διαδικασίες λήψης αποφάσεων στην αειφόρο διαχείριση των εδαφών και των υδάτων. Η μελέτη εξετάζει τη δυνατότητα των παραγωγών να επενδύσουν στην κατασκευή αρδευτικών δεξαμενών, καθώς και τα οφέλη της επένδυσής τους στην παραγωγή. Η περιοχή μελέτης, το Τυμπάκι, βρίσκεται στο νότιο τμήμα του νομού Ηρακλείου Κρήτης, με την κύρια χρήση γης να αφορά την παραγωγή αγροτικών προϊόντων. Η καλλιέργεια οπωροκηπευτικών γίνεται σε θερμοκήπια και η άρδευσή τους πραγματοποιείται κυρίως με άντληση υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της αγροτικής παραγωγής στην περιοχή τα τελευταία χρόνια οδήγησε στην αύξηση της άντλησης, με αποτέλεσμα την πτώση του υδροφόρου ορίζοντα και την εισχώρηση θαλασσινού νερού στον υδροφορέα, προκαλώντας υφαλμύρινση. Εξαιτίας του φαινομένου αυτού, οι καλλιέργειες που βρίσκονται πιο κοντά στη θάλασσα αρδεύονται με νερό αγωγιμότητας μεγαλύτερης από το ανώτερο ενδεδειγμένο όριο των 2,5 dS m-1. Για τη μελέτη της παραγωγής πραγματοποιήθηκε μια πειραματική καλλιέργεια μικρής κλίμακας στην οποία εφαρμόστηκε άρδευση με δύο ποιότητες ύδατος (ηλεκτρική αγωγιμότητα 1,1 και 3,5 dS m-1, αντίστοιχα). Η επένδυση της αρδευτικής δεξαμενής αξιολογήθηκε τόσο σε σχέση με ένα σενάριο business as usual, όσο και σε σχέση με την επέκταση της θερμοκηπιακής μονάδας στο ίδιο κόστος. Η αξιολόγηση της επένδυσης έγινε με την μέθοδο της καθαρής παρούσας αξίας (ΚΠΑ), την ανάλυση νεκρού σημείου (break-even point) και την περίοδο αποπληρωμής (payback period). Τα αποτελέσματα από τον υπολογισμό των οικονομικών δεικτών έδειξαν ότι η επένδυση για την κατασκευή της δεξαμενής είναι αποδεκτή και αποφέρει τόσο οικονομικά, όσο και περιβαλλοντικά οφέλη. Αυτό συμβαίνει γιατί η ανάμιξη του νερού άντλησης με όμβρια ύδατα έχει διπλό όφελος, τόσο στην παραγωγή όσο και στον περιορισμό του φαινομένου της υφαλμύρινσης. Αντιθέτως, η επένδυση στην επέκταση της θερμοκηπιακής μονάδας δεν είναι αποδεκτή, διότι αφενός δεν παράγονται ικανοποιητικά οικονομικά οφέλη για τους καλλιεργητές και αφετέρου δεν επιλύεται το πρόβλημα της υφαλμύρινσης και της διαθεσιμότητας των υδάτινων πόρων στην περιοχή.

Summarization: In recent years, there has been a strong consensus on the changes in climate caused by increased concentrations of anthropogenic greenhouse gas emissions. Global CO2 emission rates have been following high-end climate change pathways leading to a future global temperature that is likely to surpass the target limits of +1.5oC and +2oC, and reach levels of +4oC and higher at the end of the 21st century. Freshwater availability under such conditions is a key issue of concern and thus, scientific research has focused on estimating the range of changes in the future climate and the effectiveness of different adaptation strategies. The main tool for the investigation of future climate is the utilization of global climate models (GCMs). GCMs are based on physical principles that describe the components of the climate system. The next step for hydrological impacts’ assessments is to force global hydrological models (GHMs) or land surface models (LSMs) with GCM outputs. Due to the systematic biases they feature, GCM outputs need some kind of bias correction prior to their application as forcing to impact models, especially for hydrological studies. Most bias correction techniques focus mainly on the variables of precipitation and temperature. However most state-of-art hydrological models require more forcing variables, additionally to precipitation and temperature, such as radiation, humidity, air pressure and wind speed. The biases in these additional variables can hinder hydrological simulations, but the effect of the bias of each variable is unexplored. In the present thesis, a methodological framework of a multi-faceted assessment of the effects of high-end climate change on the global hydrological regime is presented. The tool for the hydrological simulations in our study is the LSM JULES, a physically based model operating at the global scale. The first component of our methodological framework is the evaluation of the model for a historical period and the assessment of the model’s sensitivity to input forcing. A runoff routing algorithm is designed and implemented, to allow the comparison of the model output with discharge measurements. The second part of the methodological framework aims to assess the effect of the GCM biases on the performed runoff simulations, with the scope of deciding on the meteorological variables that should be included in bias correction. To this end, a methodology for the classification of the effect of biases in four effect categories (ECs), based on the magnitude and sensitivity of runoff changes, is developed and applied. The final part of the methodological framework of this thesis is the assessment of hydrological climate change impacts under high-end warming scenarios. Assessment of impacts focuses on water availability and droughts at the global, European, regional and basin scale, employing a number of different and complementary methods. Climate change impacts are examined for different levels of warming (+1.5, +2 and +4oC) and the uncertainty in the projected changes is assessed throughout this analysis. The results of this study could assist scientists make informed decisions on variables and methods that should be considered in future climate change impacts’ studies, focusing on the uncertainty component of the impact analysis, by examining a wide range of “hydrologically opposing” future climates. The results of the present study could also be useful for policy makers, who need information relevant to this thesis, in order to decide on planning and legislations regarding climate change adaptation and mitigation.