Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η στατιστική ανάλυση των πληγμάτων των κεραυνών στην Ελλάδα κατά τα τελευταία τέσσερα χρόνια (2011-2014). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο του κεραυνού, τα είδη των κεραυνών και τα φυσικά χαρακτηριστικά του, ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι επιπτώσεις των κεραυνών. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον ηλεκτρονικό κυρίως τύπο της χώρας, και τα οποία σχετίζονται με τους θανάτους και τους τραυματισμούς ανθρώπων, τους θανάτους ζώων, τις πυρκαγιές και τα πλήγματα σε εγκαταστάσεις, κτήρια και αεροπλάνα που οφείλονται σε πτώσεις κεραυνών για την χρονική περίοδο που εξετάστηκε. Τα στοιχεία έχουν κατανεμηθεί σε έτη, μήνες και ημέρες των συμβάντων. Επιπλέον, εισάγεται ο σχετικός συντελεστής θανάτων από κεραυνούς Dr, ο οποίος εκφράζει το σχετικό αριθμό θανάτων εξαιτίας κεραυνού σε μια χώρα ή περιοχή λαμβάνοντας υπ’ όψιν τον πληθυσμό, την έκταση και την δραστηριότητα των κεραυνών (Ng). Αυτός ο συντελεστής θα μπορούσε να είναι ένα κριτήριο για την αποτελεσματικότητα των μέτρων προστασίας από κεραυνούς, καθώς και για τα αποτελέσματα των εκπαιδευτικών και ενημερωτικών εκστρατειών για την προστασία από τους κεραυνούς. Από την ανάλυση των δεδομένων για τους θανάτους ανθρώπων εξαιτίας κεραυνού συμπεράναμε ότι έχουμε ένα μέσο όρο των 2,25 απωλειών ανά έτος (9 απώλειες συνολικά) και ότι το 77,8% των συμβάντων σημειώθηκαν κατά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου (Μάιος-Σεπτέμβριος), με τον Σεπτέμβριο να είναι ο μήνας με τα περισσότερα συμβάντα. Όσον αφορά τους τραυματισμούς από κεραυνικά πλήγματα, έχουμε ένα μέσο όρο των 3,75 τραυματιών ανά έτος, με το 40% των συμβάντων να τοποθετείται χρονικά κατά τη διάρκεια των μηνών του μεσοκαλόκαιρου, και με τον Νοέμβριο να είναι ο «χειρότερος», σε πλήθος περιστατικών, από τους δώδεκα μήνες. Κατά την τετραετή περίοδο καταγράφηκαν 979 θάνατοι ζώων σε μόλις 9 περιστατικά κεραυνικών πληγμάτων, με τον μέσο όρο να ανέρχεται σε 244,75 θανάτους ζώων ανά έτος. Το 60,2% των θανάτων αυτών σημειώθηκε τον Αύγουστο, ενώ συνολικά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου σημειώθηκε το 96,2% των θανάτων ζώων. Οι πυρκαγιές που σημειώθηκαν ήταν 45, αριθμός που αντιστοιχεί σε έναν μέσο όρο 11,25 πυρκαγιών ανά έτος, με το 62,2% αυτών να είναι δασικές. Το μεγαλύτερο ποσοστό των πυρκαγιών σημειώθηκαν κατά τους μήνες του μεσοκαλόκαιρου (73,4%). Ο μέσος όρος των πληγέντων εγκαταστάσεων από κεραυνό ανήλθε σε 9,5 ανά έτος (38 συμβάντα συνολικά), με τα περισσότερα περιστατικά να έχουν καταγραφεί τον Οκτώβριο. Τα κτήρια τα οποία επλήγησαν από κεραυνό ανήλθαν σε 23 με μέσο όρο 5,75 ανά έτος. Επιπλέον, καταγράφηκαν 5 κεραυνικά πλήγματα σε αεροσκάφη κατά την τετραετία που εξετάσθηκε, με το 80% των πληγμάτων να έχουν καταγραφεί κατά τους μήνες που έχουμε τις περισσότερες καταιγίδες στην Ελλάδα. Επίσης, έγινε η κατανομή των συμβάντων όλων των κατηγοριών στις ημέρες της εβδομάδος, χωρίς όμως να βγει κάποιο ενδιαφέρον συμπέρασμα. Τέλος, στο παράρτημα παρουσιάζονται λεπτομερώς τα συμβάντα, όπως καταγράφηκαν από την εκάστοτε πηγή. / This project presents the statistical analysis of lightning strikes in Greece over the last four years (2011-2014). The first chapter describes the phenomenon of lightning, types of lightning and its natural features, while the second chapter outlines the implications of lightning. The third chapter analyses the data, that were collected mainly from the country’s electronic media, concerning deaths, injuries, animal deaths, fires, strokes at facilities, structures and airplanes due to lightning for the time period examined. The data are based on distribution in years, months and days of occurrence. Furthermore, the relative lightning death indicator Dr is introduced, that expresses the relative number of lightning deaths in a country or region taking into account its population, its area and the lightning activity Ng. This indicator could be a criterion for the effectiveness of lightning protection, and for the outcomes of education and information campaigns for the protection from lightning. From the data analysis on lightning deaths we have concluded an average of 2.25 casualties per year (9 total loss) and that 77.8% of the incidents occurred during the months of Midsummer (May-September), with September being the month with most deaths. Regarding injuries from lightning strikes, we have an average of 3.75 injuries per year, while 40% of incidents have taken place during the months of Midsummer, and November being the "worst" of the twelve months in number of incidents. During the four-year period, 979 animal deaths were recorded in just 9 incidents of lightning strikes, with the average standing at 244.75 animal deaths per year. 60.2% of these deaths occurred in August, while during the months of Midsummer occurred 96.2% of total animal deaths. The fires that occurred were 45, corresponding to an average of 11.25 fires per year, with 62.2% of them being forest fires. The majority of fires occurred during the months of Midsummer (73.4%). The average of affected facilities from lightning reached 9.5 per year (38 incidents in total). The most incidents have been recorded on October. The structures which were hit by lightning amounted to 23 with an average of 5.75 per year. Moreover, 5 lightning strikes to aircraft were recorded over the four years examined, with 80% of these strikes occurring during the months that we have the most storms in Greece. The distribution of events of all categories in the days of the week is also presented, but we did not get to an interesting conclusion. Finally, in the annex the events are presented in details, as recorded by each source.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την καταμέτρηση της κεραυνικής πυκνότητας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε από το Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η εκτίμηση των αριθμών των εκκενώσεων μεταξύ νέφους και γης ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος που έπληξαν την ευρύτερη περιοχή της Πάτρας χρησιμοποιώντας κατάλληλα συστήματα μετρητών. Αρχικά επεξηγείται το φαινόμενο του κεραυνού και τα φυσικά του χαρακτηριστικά. Αναλύονται επίσης οι λόγοι για τους οποίους είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε τον αριθμό των κεραυνών που έπληξαν μία περιοχή. Στη συνέχεια ορίζεται ο όρος της κεραυνικής πυκνότητας και ποιά είναι η πρακτική του αξία. Παραθέτονται διάφοροι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να την υπολογίσουμε θεωρητικά και να την συσχετίσουμε με τον αριθμό των ημερών καταιγίδας μιας περιοχής ανάλογα με τα τοπογραφικά της δεδομένα. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη των συστημάτων με τα οποία μπορεί να εκτιμηθεί πειραματικά ο αριθμός των κεραυνών που έπεσαν εντός κάποιας εμβέλειας. Αναφέρονται επίσης σύγχρονα συστήματα με τα οποία μπορούμε να κάνουμε απευθείας εκτίμηση της κεραυνικής πυκνότητας καθώς και να αντλήσουμε πληροφορία για την φύση των εκκενώσεων που πλήττουν μία περιοχή. Τέλος με χρήση ενός παγκόσμιας αποδοχής μετρητή κεραυνών (CIGRE 10 kHz) αναλύεται έρευνα η οποία εκπονήθηκε για την εκτίμηση της τιμής της κεραυνικής πυκνότητας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Σχολιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν μετά από καταμέτρηση χρονικής περιόδου ενάμιση χρόνου, συγκρίνονται με παλαιότερες έρευνες που είχαν εκπονηθεί υπό την αιγίδα του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων και γίνεται εξαγωγή συμπερασμάτων. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών κυμαίνεται περί τους 7,9 κεραυνούς ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά έτος. Η τιμή αυτή δεν συμφωνεί με παλαιότερες έρευνες που είχαν δείξει ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών κινείται μεταξύ 3 - 5 κεραυνών ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά έτος. Για να εκτιμηθεί αν η τιμή που υπολογίστηκε είναι ορθή, αλλά και για να εκτιμηθεί εκ νέου η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών, πρέπει να συνεχιστούν οι καταγραφές για αρκετά χρόνια ακόμα, έτσι ώστε να υπολογιστεί μία πιο σφαιρική εικόνα, καθώς δεν μπορούμε να βασιστούμε στα δεδομένα μόνο μιας μικρής περιόδου για την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων. / The following project deals with measuring the lightning flash density in the broader area of Patras. This project was carried out by the High Voltage Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras. This paper aims to estimate the number of cloud to ground lightning flash charges per square kilometer and per year hitting the broader area of Patras with the use of appropriate measuring systems. At the start an attempt to define and explain the nature of lightning is made. Then follows an analysis of the practical reasons why it helps to know the number of lightning strikes in an area. Next comes a definition of the term lightning density and its practical implications. A variety of methods, with which we can calculate it theoretically and associate it with the number of thunder days in an area in relation to the topographic data of the area, are cited. The next step is to study the systems with which the number of lightning charges striking within a specific range can be assessed. In addition, modern systems with which we can directly estimate lightning density as well as derive information about the nature of the charges an area receives. Finally, with the use of a worldwide accepted lightning flash counter (CIGRE 10 kHz), the research conducted to estimate the value of lightning flash density in the broader area of Patras is analyzed. The findings which resulted after measurements for a time span of eighteen months are presented and compared to earlier researches conducted under the auspices of High Voltage Laboratory and in the end some conclusions are presented. The findings of the research indicate that the lightning flash density in the broader area of the city comes up to 7,9 charges per km2 per year. This value is not in accordance with earlier researches showing that the lightning density in the broader area of Patras ranges from 3 to 5 charges per km2 per year. In order to assess the validity of the findings, as well as to reassess the lightning density in the broader area of Patras, more measurements must be recorded for more years to come so that a better, more rounded image can be presented before we safely come to conclusions.

La foudre est un phénomène naturel aléatoire impactant un avion de transport civil en moyenne une fois toutes les 1500 heures de vol. Les forts courants et impulsionnels pouvant parcourir la structure d'un aéronef peuvent induire des contraintes physiques aux conséquences sérieuses en ce qui concerne la sûreté. En particulier, quand un assemblage est parcouru par un courant de type foudre, des champs électriques ainsi des densités d'effet Joule importants peuvent engendrer différents phénomènes de décharge. Le risque d'étincelage est particulièrement critique au niveau des réservoirs de carburant, et différentes technologies de protection et procédures de certification sont employées pour maitriser ce risque. Les résultats expérimentaux laissent penser que la formation de ces décharges est due aux résistances électriques localisées aux interfaces entre les différentes pièces des assemblages. Le but de cette thèse a été de modéliser les phénomènes qui se produisent à une échelle microscopique au niveau de telles résistances de contact soumises à de forts courants impulsionnels de type foudre. / Lightning is a natural hazardous event that strikes a civil aircraft on average once per 1500 hours of flight. The corresponding high and impulsive currents that may flow along the structure of the aircraft can generate physical constraints with major consequences regarding safety. In particular, when a fastened assembly is crossed by a lightning current, important electric fields and Joule power densities may give birth to a variety of discharge phenomena. The sparking risk is particularly critical in fuel tanks, and different lightning protection technologies and certification procedures are employed to face it. The ignition of discharges is believed to be mostly due to the local electrical resistance at the interfaces between the parts of the assemblies. The aim of this thesis was to model to phenomena that occur at a microscopic scale of such contact resistances subject to high and impulsive currents.

Το αντικείμενο της διατριβής είναι η παρατηρησιακή και αριθμητική μελέτη των δυναμικών και φυσικών διεργασιών που συνδέονται με τη θερινή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα στον Ελλαδικό χώρο. Αναλυτικότερα τα εξεταζόμενα αντικείμενα είναι τα εξής: 1. Η μελέτη των ηλεκτρικών εκκενώσεων στον Ελλαδικό χώρο κατά τη θερινή περίοδο για 4 τουλάχιστον έτη. Για την πραγματοποίηση των στόχων του παραπάνω αντικειμένου έχει ήδη γίνει η συλλογή και η επεξεργασία των ηλεκτρικών εκκενώσεων στη περιοχή του ευρύτερου Ελλαδικού χώρου για τις θερινές περιόδους των ετών 2003 έως και 2006. Τα δεδομένα που έχουν χρησιμοποιηθεί προέρχονται από το σύστημα καταγραφής των ηλεκτρικών εκκενώσεων της Βρετανικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας ATD (Arrival Time Difference). Τα γεγονότα τα οποία κατεγράφησαν στον Ελλαδικό χώρο για την περίοδο μελέτης, μετά τον απαραίτητο έλεγχο ποιότητας, κατανεμήθηκαν σε πλέγμα διαστάσεων 0,1° x 0,1° και υπολογίστηκε η πυκνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά θερινή περίοδο. Στις περιοχές με τις υψηλότερες τιμές πυκνότητας ηλεκτρικών εκκενώσεων συγκαταλέγονται η Μακεδονία, η Ήπειρος, ο ορεινός κεντρικός ηπειρωτικός κορμός καθώς και οι ορεινές περιοχές της Πελοποννήσου, γεγονός που αποτελεί μία πρώτη ένδειξη της σύνδεσης που υπάρχει μεταξύ της θέρμανσης του εδάφους, λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, και της ανάπτυξης θερινών καταιγίδων. Η άποψη αυτή ενισχύεται και από το γεγονός ότι το μέγιστο της δραστηριότητας παρατηρείται τις μεσημεριανές και πρώτες απογευματινές ώρες. 2. Η μελέτη των παραμετροποιήσεων ανοδικών κινήσεων (convection) και μικροφυσικής των αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης καιρού με στόχο την ορθότερη πρόβλεψη της θερινής καταιγιδοφόρου δραστηριότητας που συνοδεύεται από έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα. Στο αντικείμενο αυτό κύριος στόχος είναι η σύγκριση τριών διαφορετικών σχημάτων παραμετροποίησης που χρησιμοποιούνται στο αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης καιρού MM5. Τα σχήματα αυτά είναι τα κάτωθι: Kain – Fritch, Betts – Miller – Janjic και Grell και χρησιμοποιούνται στην παραμετροποίηση του μοντέλου για τον υπολογισμό της βροχόπτωσης που προέρχεται από τις κατακόρυφες κινήσεις μεταφοράς. Κατά τη σύγκριση των τριών σχημάτων παραμετροποίησης τα καλύτερα στατιστικά σκορ εμφανίζει το σχήμα Kain – Fritch ενώ τα αποτελέσματα που δίνει το σχήμα του Grell είναι αρκετά κοντά με αυτά του προαναφερθέντος σχήματος. 3. Η τροποποίηση του σχήματος παραμετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων στην ατμόσφαιρα των Kain – Fritsch με στόχο τη βελτιστοποίηση των αποτελεσμάτων της προβλεπόμενης βροχόπτωσης στην περιοχή του Ελλαδικού χώρου, κατά τη θερμή περίοδο του έτους Στο αντικείμενο αυτό έχει μελετηθεί στατιστικά η ικανότητα πρόβλεψης του πεδίου της βροχόπτωσης, εφαρμόζοντας ποικίλες τροποποιήσεις του σχήματος παραμετροποίησης Kain – Fritsch. Πιο συγκεκριμένα πέρα από την βασική έκδοση του σχήματος που χρησιμοποιείται στην επιχειρησιακή αλυσίδα του προγνωστικού μοντέλου ΜΜ5, αναπτύχθηκαν οκτώ συνολικά τροποποιήσεις. Εφαρμόζοντας τις παραπάνω τροποποιήσεις, πραγματοποιήθηκαν συνολικά 180 πειράματα για συνολικά 20 διαφορετικές ημέρες με έντονη βροχόπτωση κατά την θερμή περίοδο των ετών 2005 – 2007. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων παρείχε ενθαρρυντικά στοιχεία, καθώς ωθώντας το σχήμα να παράξει περισσότερο υετό παρατηρήθηκε βελτίωση στην ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει τον υετό. / The present Ph.D. Thesis is divided into three main parts. In the first part the lightning activity over Greece during the warm season (May-September) of the years 2003 through 2006 is investigated, in relation with the synoptic meteorological conditions that prevailed in the region. The study is based on the use of cloud-to-ground lightning activity data and of upper-air analyses. The analysis of the spatial variability of lightning shows that the highest “relative” flash densities are observed in Northern and Western Greece and in Central and Western Peloponnissos. The study of the synoptic patterns related to lightning is based on the analysis of 60 active and 60 inactive days in terms of lightning activity over Greece. The days with high lightning activity are characterised by a short wave trough at the 500 hPa level over the Ionian Sea. On the other hand, during the days with no lightning a northwest flow prevails over Greece. It was also found that high lightning activity is related with high values of absolute vorticity, equivalent potential temperature and convective available potential energy. In the second part the sensitivity of numerical model quantitative precipitation forecasts to the choice of the convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity over Greece, during the warm period of 2005 – 2007. Namely, the study is conducted using MM5 model and the following three different CPSs: Kain – Fritsch, Grell and Betts – Miller – Janjic. Sixty numerical simulations were carried out. The simulated precipitation was verified against raingauge measurements and lightning data. Verification results showed that for all three schemes the model presented a tendency to overestimate light to moderate rain while in general it underestimated the high precipitation amounts. The validation against both sources of data showed that among the three CPSs, the more consistent behaviour in quantitative precipitation forecasting was obtained by the Kain – Fritsch scheme that provided the best statistical scores. However, the differences of the results of statistical analysis between the Kain – Fritsch and Grell schemes were not large. In the third part the sensitivity of quantitative precipitation forecasts to various modifications of the Kain – Fritsch (KF) convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity and widespread precipitation over Greece, during the warm period of 2005-2007. The modifications include: (i) the maximization of the convective scheme precipitation efficiency, (ii) the change of the convective time step, (iii) the forcing of the convective scheme to produce more/less cloud material, (iv) changes to the trigger function and (v) the alteration of the vertical profile of updraft mass flux detrainment. In general, forcing the model to produce less cloud material improves the precipitation forecast for the moderate and high precipitation amounts.