Ανάπτυξη αυτοματοποιημένου συστήματος μικρής διάρκειας πρόγνωσης των μέσης κλίμακας καταιγιδοφόρων συστημάτων με τη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πλήρως αυτοματοποιημένου συστήματος εντοπισμού, παρακολούθησης και μικρής διάρκειας πρόγνωσης των καταιγιδοφόρων νεφικών συστημάτων μέσης κλίμακας (ΜΚΣ), ικανών να προκαλέσουν ισχυρές βροχοπτώσεις στην περιοχή της Μεσογείου, βασισμένο στη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat. Αρχικά αναπτύχθηκε αλγόριθμος για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση της εξέλιξης των ΜΚΣ στην περιοχή της Μεσογείου με τη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat δεύτερης γενιάς. Για κάθε ΜΚΣ που εντοπίζεται από τον αλγόριθμο, υπολογίζεται ένας αριθμός χρονικών και δομικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με το δυναμικό (έκταση, μέση και ελάχιστη θερμοκρασία, δυναμικό κατακόρυφης ανάπτυξης), το σχήμα (εκκεντρότητα, κλίση του κύριου άξονα), τη θέση (κέντρο βαρύτητας, διανυόμενη απόσταση) και την κίνηση (ταχύτητα, διεύθυνση κίνησης) του συστήματος. Επιπλέον, αναπτύχθηκε βοηθητικός αλγόριθμος ο οποίος συσχετίζει, στο χώρο και το χρόνο, δεδομένα ηλεκτρικών εκκενώσεων με τα εντοπισμένα ΜΚΣ στις δορυφορικές εικόνες. Ο αλγόριθμος αυτός βοήθησε στο χαρακτηρισμό των εντοπισμένων ΜΚΣ ως προς το δυναμικό κατακόρυφης ανάπτυξής τους. Ο αλγόριθμος εφαρμόστηκε σε δορυφορικές εικόνες της θερμής περιόδου τριών ετών (2005-2007), για την περιοχή της Μεσογείου με αποτέλεσμα τη δημιουργία μίας βάσης δεδομένων των ΜΚΣ για την περιοχή αυτή. Η βάση αυτή διαθέτει χαρακτηριστικά 4718 ΜΚΣ που εντοπίστηκαν από τον αλγόριθμο. Το σύνολο αυτών χωρίστηκε ακολούθως σε δυο υποσύνολα ανάλογα με την έκταση της κατακόρυφης ανάπτυξης των συστημάτων, χρησιμοποιώντας ένα κατώφλι διαχωρισμού σε ένα από τα χαρακτηριστικά των ΜΚΣ. Η βάση δεδομένων αποτελείται από τις τιμές των παραμέτρων που σχετίζονται με τα γεωγραφικά (θέση και ώρα πρώτου εντοπισμού, διάρκεια ζωής, διεύθυνση, ταχύτητα), τα γεωμετρικά (μέγεθος, εκκεντρότητα κ.α) και τα φασματικά χαρακτηριστικά (μέσες και ελάχιστες τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας, ρυθμοί μεταβολής της θερμοκρασίας κ.α) των ΜΚΣ. Η πλειοψηφία των ΜΚΣ αναπτύχθηκαν στη ξηρά, κοντά σε ορεινές περιοχές, μεταξύ 14:00 UTC και 17:00 τοπική ώρα, με μέση διάρκεια ζωής που δεν ξεπερνούσε τις πέντε ώρες. Ένα τυπικό ΜΚΣ είναι γενικά μικρής έκτασης, με επιμηκυμένο σχήμα, έχει μικρή διάρκεια ζωής και κινείται με διεύθυνση βορειοανατολική έως νοτιοανατολική με μέση ταχύτητα 36 km/h. Με βάση τη στατιστική ανάλυση των παραμέτρων της βάσης δεδομένων δημιουργήθηκαν μοντέλα που περιγράφουν τη μέση εξέλιξη των χαρακτηριστικών των ΜΚΣ. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε αυτόματο σύστημα μικρής διάρκειας πρόγνωσης της εξέλιξης των ΜΚΣ το οποίο βασίζεται στην παρακολούθηση της τρέχουσας εξέλιξης των ΜΚΣ και στην προέκτασή της για τις επόμενες λίγες ώρες στο μέλλον χρησιμοποιώντας κάθε φορά στοιχεία από την τρέχουσα εξέλιξη του ΜΚΣ και από το μοντέλο της μέσης εξέλιξης των χαρακτηριστικών των ΜΚΣ. Στο προγνωστικό σύστημα παρέχεται ακόμη η δυνατότητα αξιοποίησης προγνωστικών στοιχείων της κυκλοφορίας της κατώτερης και μέσης τροπόσφαιρας από αριθμητικά προγνωστικά μοντέλα καιρού για τη βελτίωση των προγνώσεων. Το σύστημα παράγει μικρής διάρκειας προγνώσεις (2 ως 3 ώρες) για βασικά χαρακτηριστικά ενός ΜΚΣ (έκταση, ταχύτητα και διεύθυνση κίνησης και διάφορα άλλα φασματικά χαρακτηριστικά όπως η μέση και η ελάχιστη θερμοκρασία κ.α), οι οποίες ανανεώνονται ανά 15΄. Τέλος, το σύστημα αξιολογήθηκε ως προς την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία του και κρίθηκε ικανοποιητικό τόσο ως προς ως προς την εκτίμηση των τιμών των μονόμετρων παραμέτρων που μελετώνται όσο και ως προς τη διεύθυνση και την ταχύτητα κίνησης• μεγέθη τα οποία έχουν μείζονα ρόλο στην χρησιμότητα του προγνωστικού συστήματος ιδίως κατά την επιχειρησιακή λειτουργία του. Συμπερασματικά, το προγνωστικό σύστημα για τα ΜΚΣ που αναπτύχθηκε είναι ένα πλήρως αυτοματοποιημένο στατιστικό μοντέλο με ολοκληρωμένο γραφικό περιβάλλον και με δυνατότητα επιχειρησιακής λειτουργίας σε συνδυασμό με δεδομένα από άλλα μοντέλα προσομοίωσης της μέσης και ανώτερης τροπόσφαιρας. Το συγκεκριμένο σύστημα παρέχει προγνώσεις ανά 15 min για τις επόμενες 2 ως 3 ώρες λαμβάνοντας υπόψη το στάδιο εξέλιξης των ΜΚΣ. Η αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιήθηκε λαμβάνοντας υπόψη ένα μεγάλο αριθμό συστημάτων και τιμών των παραμέτρων που εξετάζονται και τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά αποκαλύπτοντας τις δυνατότητες και τη χρησιμότητα ενός τέτοιου είδους συστήματος πρόγνωσης των ΜΚΣ στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου με έμφαση την ελληνική επικράτεια.