עומס החום בישראל: פיתוח כלי חיזוי לתנאים המקומיים עפ"י נתונים בסקלה סינופטית כאמצעי לחיזוי התנאים העתידיים

הסטודנט: עמית סביר

מנחה: פרופ' הדס סהרוני  וד"ר ברוך זיו

עבודת גמר לדוקטורט

מטרתו של מחקר זה היא לזהות את המשתנים הסינופטיים הקובעים את תנאי מזג האוויר המקומיים בישראל בעונת הקיץ באמצעות ירידה בסקאלה (statistical downscaling). במהלך השנים 2102-0791 , בהן ההתחממות העולמית נמצאה כמשמעותית. משוואות חיזוי סטטיסטיות פותחו לחיזוי עומס החום המקומי ב-19 תחנות מטאורולוגיות הפזורות בכל רחבי הארץ וכן לחיזויו בסקאלה הארצית, לחיזוי גובה האינברסיה המרינית ולחיזוי פקטור הרוח, המוגדר כגודלו של היטל הרוח היומית בכיוון הרוח הממוצעת.

בנוסף, המחקר בוחן את הרלבנטיות של המיון הסינופטי הסמי-אובייקטיבי (אלפרט וחוב', 2004) לחיזוי תנאי מזג האוויר בקיץ הישראלי, ומציע מיון חלופי לקיץ במזרח הים התיכון. על מנת לקבוע האם לנתח את נתוני המחקר בנפרד עבור החודשים יולי ואוגוסט, נותחו נתוני כל אחר מהחודשים בנפרד, ונמצא כי המאפיינים הקלימטולוגיים העיקריים של יולי ואוגוסט, ובכלל זה מגמות השינוי ארוכות הטווח, כמעט זהים, ולכן הם ניתנים לייחוס כיחידה קלימטולוגית אחת- שיא עונת הקיץ.

ניתוח התפרושת המרחבית של הטמפרטורה הממוצעת בתחנות המחקר מגלה שונות גדולה בין אזורים גיאוגרפיים שונים, ושונות אף גבוהה יותר בלחות היחסית, בעיקר בין אזור החוף ואזור ההרים ופנים הארץ. מגמות השינוי ארוכות הטווח של הטמפרטורה משקפות התחממות מובהקת בכל התחנות (1.1°-0.2°C לעשור, הגבוהה ביותר באזורים הפנימיים לעומת הנמוכה ביותר לאורך מישור החוף). לעומת זאת, לא נמצאה מגמת שינוי עקבית בלחות היחסית, למעט שינוי חיובי אך לא מובהק לאורך מישור החוף. גם מגמת העלייה בעומס החום היתה חיובית בכל התחנות הנבדקות, רובן מובהקות סטטיסטית. לעומת זאת, מגמת השינוי במהירות הרוח הצביעה על החלשות מובהקת סטטיסטית ברוב התחנות. גובה האינברסיה ברדיוסונדה של שעה 1200 UTC מבית דגן נמצא כבעל קורלציה מובהקת עם הטמפרטורות במפלסים הנמוכים של האטמוספירה וכן עם הלחות היחסית מתחת לבסיס האינברסיה. בנוסף, נמצאה מגמת ירידה בלתי מובהקת בגובה האינברסיה.

משוואות חיזוי מקומיות לעומס החום פותחו עבור תחנות המחקר, באמצעות תוכנת SPSS , תוך שימוש באופציית ה- stepwise , והן אומתו לאחר מכן באמצעות שיטת ה- hold-out .
האמדים (הפרדיקטורים) הפוטנציאליים לבניית המשוואות, המייצגים את המשתנים בסקאלה הסינופטית, נלקחו מתחנות המדידה עצמן, מהראנליזות של NCEP-NCAR ומנתוני הרדיוסונדה של בית דגן (המייצגת את ישראל). כמות הפרדיקטורים המובהקים במשוואות החיזוי נעה בין חמישה בתחנות מישור החוף והשפלה ועד לשנים-עשר בתחנות ההרריות, עובדה המרמזת על השפעת משתנים רבים באזורים הפנימיים. הפרדיקטורים המובהקים מסבירים 79%-17% מההשתנות הבין-יומית של עומס החום בתחנות השונות, ואילו שגיאות התקן (SE) הנמוכות ביותר, 0.52, נמצאו באזורי החוף. איכות החיזוי, המיוצגת ע"י ה- (Forecast skill ( skill score- SS , עמדה על ערכים הגבוהים מ 60% ברוב התחנות, וזאת ביחס לחיזוי המבוסס על התמדה (Persistence).

לשם חיזוי עומס החום בסקאלה הארצית (NHS), יושמה מתודולוגיה דומה, אולם היא התבססה על 7 מתוך התחנות, המייצגות את האזורים הגיאוגרפיים העיקריים בישראל. לשם כך, מאגר הפרדיקטורים הפוטנציאליים הורחב באמצעות שימוש במפות קומפוזיט (Composite maps) של הלחץ בגובה פני הים וכן הגובה הגיאופוטנציאלי והטמפרטורות בשכבות הגבוהות. המפות יוצרו עבור הימים בהם נמדדו 10% הגבוהים והנמוכים ביותר של המשתנה הנחזה. ניתוח האנומליות במפות הקומפוזיט של שתי הקבוצות הללו חשפו "תמונת ראי", ובכך הן משקפות אזורי השפעה אטמוספרים מרכזיים. הפרדיקטורים הרלוונטיים נלקחו מאותם אזורי השפעה, והוספו לרשימת הפרדיקטורים הפוטנציאליים אשר שימשו לבניית משוואת החיזוי. לדוגמא, הפרש הלחצים בין הים האיגאי וארמניה נמצא כפרדיקטור חשוב לעומס החום הארצי. שיטה ייחודית זו פותחה בעבודה זו, וניתן ליישמה במחקרים אזוריים נוספים. אימות משוואת חיזוי עומס החום הלאומית היה בעל תוצאות טובות מאשר אלו של כל אחת ממשוואות החיזוי המקומיות בנפרד.

על מנת לבחון האם חיזוי באמצעות נוסחת החיזוי הארצית נשאר יציב גם בתנאים בהם קיימת מגמת התחממות, נבדקה משוואת החיזוי על שני חלקים נפרדים ועוקבים בתקופת המחקר. אימות החיזוי בשתי התקופות הראה כי למרות מגמת ההתחממות שנמצאה בתקופת המחקר, תוצאות האימות היו דומות למדי, עובדה המצביעה על כך שמשוואת החיזוי יציבה גם ביחס לתקופות בהם מתרחשת התחממות.

משוואת חיזוי פותחה גם עבור גובה בסיס האינברסיה המרינית (Hinv) המייצגת את מרכז ישראל, שם קיימת הרדיוסונדה הזמינה היחידה בישראל. אימות המשוואה הראה כי ערכי ה- SE גבוהים יחסית (226 מטרים, ביחס לסטיית התקן הטבעית העומדת על 310 מטרים), וה-SS (העומד על 27%)  נמוך יחסית בהשוואה ל- NHS . סיבה אפשרית לכך היא העובדה שהאינברסיה המרינית רגישה לשינויים מקומיים בפרופיל האטמוספרי.

משוואת החיזוי השלישית פותחה עבור פקטור הרוח (Wf), אשר חושב עבור אותן שמונה תחנות המייצגות את ישראל. תוצאות אימות משוואת החיזוי מצביעים על יכולות חיזוי (SS) נמוכות מאשר ל- NHS ול- Hinv , עובדה המצביעה על יישומיות נמוכה יותר של המשוואה ברמה הארצית. הסיבה לכך היא קיומם של גורמים שונים המשפיעים על הרוח באזורי הארץ השונים, והם המובילים לשונות בכיוון הרוח בין האזורים השונים (לדוגמא, רוחות דרום מערביות בצפון ישראל לעומת צפון מערביות בחלקה הדרומי, וכן השפעה חזקה של הבריזה על משטר הרוח במישור החוף לעומת השפעה כמעט מוחלטת של המצב הסינופטי על הרוח בהרים).

מניתוח הפרדיקטורים הסיגניפיקנטים בשלוש נוסחאות החיזוי, נמצא כי המיון הסינופטי של אלפרט וחוב' (2004) אינו יעיל לחזוי האלמנטים העיקריים במזג האוויר הקייצי בישראל, כלומר עומס החום, גובה האינברסיה המרינית ופקטור הרוח בסקלה הארצית. לפיכך, אינדקס סינופטי חדש (SYNindex) פותח, והוא מחושב באמצעות משוואה לחיזוי השילוב בין עומס החום המנורמל (HSN) וגובה האינברסיה המנורמל (INVN). ערך האינדקס עבור כל יום הוא הערך החזוי ע"י המשוואה. הפרדיקטורים הסיגניפיקנטיים במשוואה הם הטמפרטורות בשכבות הנמוכות, הפרשי לחצים דרומית לישראל ובין הים האיגאי וארמניה וכן פרדיקטורים הקשורים ללחות.

על מנת להפוך את ה- SYNindex למיון סינופטי שימושי, ערכי האינדקס החזויים עבור תקופת המחקר חולקו לשלוש קבוצות שוות המייצגות שלושה מצבים או קטגוריות: "נוח" (comfort), "אי נוחות בינונית" (medium) ו"אי נוחות משמעותית" (discomfort). נמצא כי שלוש הקטגוריות הללו מובהקות, מאחר שההבדלים בינהן בעומס החום ובגובה האינברסיה הממוצעים שווים בגודלם לגובה סטיית התקן של כל קטגוריה. מיון חדש זה מיושם על בסיס המיון של אלפרט וחוב' (2004) המגדיר את הקיץ.

מפות הקומפוזיט של כל קטגוריה מראות כי תצורת הלחץ בקרקע (SLP) והפרשי הלחץ בין ניקוסיה וקהיר, אשר משמשים חזאים לחיזוי התנאים בקיץ, פחות או יותר זהים בכל אחת משלושתן. באשר לשכבות הגבוהות של האטמוספירה, התצורה במפלס ה-500 מ"ב בשלוש הקטגוריות מראה אפיק מעל מזרח הים התיכון, אולם הוא המובהק ביותר ובעל הערכים הנמוכים ביותר בקטגוריות ה- comfort , וההיפך מכך בקטגוריית ה- discomfort . בנוסף, מפות אנומליה אשר יוצרו לשתי הקטגוריות הקיצוניות מהוות "תמונת ראי", ובכך מדגישות את העובדה שהקטגוריות משקפות את שני הקצוות הקיצוניים של מזג האוויר הקייצי.

לסיכום, מחקר זה הוא הראשון המצביע על המשתנים האטמוספיריים המרכזיים בסקאלה הסינופטית הקובעים את השתנות עומס החום וגובה האינברסיה, בהיותם הגורמים העיקריים הקובעים את תנאי מזג האוויר בקיץ הישראלי, הן ברמה המקומית והן ברמה הארצית. מחקר זה עושה שימוש בטכניקת statistical downscaling.

 

אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive