ΑΝΑΣΚΟΠΙΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΒΡΟΧΗΣ. Δρ. Σίλας Μιχαηλίδης Διευθυντής Τμήματος Μετεωρολογίας

Transcript

1 ΑΝΑΣΚΟΠΙΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΒΡΟΧΗΣ Δρ. Σίλας Μιχαηλίδης Διευθυντής Τμήματος Μετεωρολογίας

2 Σαν μετεωρολογικό φαινόμενο ο υετός έχει μελετηθεί από πολλές απόψεις. Εδώ θα περιοριστούμε στους τρόπους, τεχνικές και μεθοδολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την μέτρηση της βροχής και που εκτείνονται από τα παραδοσιακά βροχόμετρα μέχρι τις σύγχρονες δορυφορικές μετρήσεις.

3 Γι αυτό το λόγο είναι νομίζω σημαντικό να αρχίσουμε προσδιορίζοντας ποια είναι αυτή η παράμετρος που θέλουμε να μετρήσουμε. Ως ΥΕΤΟΣ ορίζεται το (ισοδύναμο) ύψος του νερού σε υγρή μορφή που προέρχεται από το νερό που πέφτει σε συγκεκριμένο σημείο και σε καθορισμένη χρονική περίοδο (συνήθως εκφράζεται σε χιλιοστά)

4 Η αρχή πάνω στην οποία βασίζοεται η επιμέτρηση της βροχόπτωσης είναι η συλλογή της βροχής και στη συνέχεια η μέτρηση του ύψους του νερού που συλλέχθηκε. Βασικά με τη μετατροπή του όγκου σε ύψος (χιλιοστά, παλαιότερα σε ίντσες κτλ).

5 Σύγχρονα βροχόμετρα σε μια μεγάλη ποικιλία μορφών, υλικών κατασκευής κτλ.

6 Βροχόμετρο ανατρεπόμενων κάδων (tipping bucket) χοάνη για τη συλλογή της βροχής Ζεύγος ανατρεπόμενων κάδων

7 Αυτογραφικά όργανα: βροχογράφοι

8 Ζυγιστικό Βροχόμετρο Weighing rain gauge

9 Η μεγάλη ποικιλία βροχομέτρων, η τοποθέτησή τους σε διαφορετικά ύψη, η διαφορετική έκθεσή τους καθώς και μια σειρά από άλλους παράγοντες εμπεριέχει μια ανομοιογένεια στις καταγραφές. Εκτός από την τυποποίηση, έχουν γίνει και γίνονται ακόμη πολλές προσπάθειες σύγκρισης των μετρήσεων από βροχόμετρα διάφορων τύπων, π.χ. WMO Field Intercomparison of Rain Intensity Gauges

10 WMO Field Intercomparison of Rain Intensity Gauges Centre of Meteorological Instruments Experimentations (RESMA) στη Vigna di Valle, πλησίον της Ρώμης, Ιταλία. Γίνεται συγκριτική μελέτη 30 βροχόμετρων

11 Να κρατήσουμε αυτή την εικόνα, όταν αργότερα θα μιλήσουμε για «ground truth», δηλαδή «πραγματική τιμή στο έδαφος», σε σχέση με μετρήσεις που γίνονται από τηλεπισκοπικά συστήματα.

12 Μια ομάδα οργάνων που έχουν επινοηθεί πρόσφατα και που καταμετρούν τη βροχή στο έδαφος μέσω του υπολογισμού της κατανομής (distribution) του μεγέθους των σταγόνων που συναποτελούν τον υετό, ονομάζονται distrometers (κατ άλλους disdrometers). Σε αυτή την ομάδα οργάνων ξεχωρίζουμε δυο γενικές κατηγορίες: 1. Τα distrometers πρόσκρουσης σταγόνων 2. Τα οπτικά distrometers

13 Η αρχή στην οποία βασίζεται ένα distrometer πρόσκρουσης είναι η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας (που προκαλείται από την πρόσκρουση ενός υδρομετέωρου πάνω σε ένα αισθητήρα) σε «ισοδύναμο» ηλεκτρικό παλμό που στη συνέχεια καταγράφεται, δίνοντας την εικόνα της κατανομής των υδρομετεώρων σαν συνάρτηση των διαστάσεών τους. Αντιπροσωπευτικό και πολύ διαδεδομένο είναι το JOSS-WALDVOGEL Disdrometer

14 PARSIVEL οπτικό distrometer Χρησιμοποιείται για την ταυτόχρονη μέτρηση του μεγέθους (PARticle SIze) και της ταχύτητας (VELocity) των υδρομετεώρων χρησιμοποιώντας τεχνολογία ακτίνων Laser. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα ευρύ φάσμα υδρομετεώρων που καλύπτει τις ψεκάδες, τη βροχή το χιόνι και χαλάζι.

15 Μια πολύ πρόσφατη πρόταση για μέτρηση της βροχής πάνω από τη θάλασσα, είναι η χρήση ακουστικού υδροφώνου. Ο θόρυβος που κάνουν οι σταγόνες της βροχής πέφτοντας πάνω στη θάλασσα αναλύεται και αφού «αφαιρεθούν» άλλοι ήχοι, καταλήγουμε σε μια κατανομή των διαστάσεων των σταγόνων της βροχής.

16 Η τεχνολογία ραντάρ χρησιμοποιείται πλατειά για την επιμέτρηση της βροχής Μετεωρολογικό ραντάρ

17 Μετεωρολογικό ραντάρ: σχηματική παράσταση λειτουργίας εκπομπή και λήψη ανακλώμενης ακτινοβολίας

18 Ανακλώμενη ακτινοβολία από τα υδρομετέωρα

19 Μετεωρολογικό ραντάρ Ανακλώμενη ακτινοβολία Μετρείται σε dbz

20

21 Δυνατότητα μετατροπής της έντασης της ανακλώμενης ακτινοβολίας (dbz) σε ύψος βροχής (χιλιοστά)

22 Αριστερά: το δίκτυο των παραδοσιακών βροχομετρικών σταθμών στην Κύπρο : 145 βροχόμετρα Δεξιά: Το «δίκτυο» των μετρήσεων με το ραντάρ

23 Η χωρο-χρονική υπεροχή του Μετεωρολογικού ραντάρ σαν τηλεπισκοπική πλατφόρμα για μέτρηση της βροχής είναι προφανής. Τι γίνεται όμως με την ακρίβεια των μετρήσεων με το ραντάρ; Η αντιπαραβολή και σύγκριση με τα βροχόμετρα είναι η μόνη προφανής τακτική για επιβεβαίωση των μετρήσεων με το ραντάρ. Γι αυτό και συχνά οι μετρήσεις με βροχόμετρα στο έδαφος αναφέρονται σαν «πραγματική τιμή στο έδαφος» (ground truth).

24 Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ενημερώσω για τις προσπάθειές μας για την εγκατάσταση δικτύου μετεωρολογικών radar. Η σύμβαση με ιδιωτική εταιρεία για την λειτουργία δυο X-band, διπλής πολικότητας, Doppler radars έχει υπογραφεί και αναμένεται να αρχίσει η εγκατάστασή τους στις αρχές του Το νέο δίκτυο θα αντικαταστήσει το radar που βρισκόταν εκτός λειτουργίας στον Κύκκο.

25 X-Band, Dual Polarization, Doppler Weather Radar Network Elevation 0

26 X-Band, Dual Polarization, Doppler Weather Radar Network Elevation 1,0

27 Δορυφορική τεχνολογία: Οι παρατηρήσεις από δορυφόρους έχουν το σημαντικό πλεονέκτημα ότι μας παρέχουν μια εποπτική εικόνα βροχόπτωσης από περιοχές όπου δεν έχουμε τη δυνατότητα ανάπτυξης εκτεταμένων βροχομετρικών δικτύων και με τον τρόπο αυτό βοηθούν στην πληρέστερη καταγραφή και παρακολούθηση της επικρατούσας βροχομετρικής κατάστασης, σε τοπικό αλλά και ευρύτερο πλαίσιο. Παρόλα αυτά, και αυτή η μεθοδολογία δεν στερείται μειονεκτημάτων: μεγάλες αποκλίσεις από τις πραγματικές τιμές της βροχόπτωσης λόγω στοχαστικών λαθών που αναπόφευκτα υπάρχουν στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται

28 Για περισσότερο από 30 χρόνια καταβάλλεται προσπάθεια μέτρησης της βροχής με «παθητικούς αισθητήρες» εγκατεστημένους σε γεωστατικούς δορυφόρους ή δορυφόρους με πολική τροχιά. Βασικά η προσπάθεια επικεντρώνεται στη σύνταξη των κατάλληλων αλγορίθμων που εξάγουν από τα δεδομένα των αισθητήρων τόσο στο ορατό όσο και στο υπέρυθρο φάσμα μετρήσεις τις βροχής στο έδαφος. Έχουν προταθεί πάρα πολλές προσεγγίσεις «μετατροπής» των οπτικών και θερμοκρασιακών χαρακτηριστικών των κορυφών των νεφών σε «ισοδύναμα ποσά βροχής στο έδαφος» γι αυτό και οι τεχνικές αυτές ονομάζονται rainfall retrievals ανάκληση βροχής (εφόσον δεν είναι στην πραγματικότητα αληθινές μετρήσεις αλλά υπολογισμοί με στοχαστικές (στατιστικές μεθόδους)

29 Για τον υπολογισμό της βροχής με παθητικούς αισθητήρες, γίνεται χρήση διάφορων «καναλιών»: Συνδυασμός μετρήσεων με διαφορετικά κανάλια π.χ. υπέρυθρο και ορατό φάσμα γεωστατικού δορυφόρου - METEOSAT

30 Διάφορα «κανάλια» στους δορυφόρους του NOAA (Advanced Very High Resolution Radiometer - AVHRR) με πολική τροχιά Ραδιόμετρα στους δορυφόρους του Defense Meteorological Satellite Program (DMSP)

31 Πάνω: Φωτογραφία με υπέρυθρο αισθητήρα στο δορυφόρο METEOSAT (Infra-red) Κάτω: Βροχόπτωση όπως υπολογίζεται από συνδυασμό των δορυφορικών πληροφοριών METEOSAT και SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) radiometers του Defense Meteorological Satellite Program (DMSP)

32 Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι οι πιο πάνω μέθοδοι «ανάκλησης» της βροχής χρησιμοποιούν παθητικές μετρήσεις από αισθητήρες που καταγράφουν κυρίως τα θερμοκρασιακά χαρακτηριστικά της κορυφής των νεφών (χωρίς ο ίδιος ο αισθητήρας να εκπέμπει). Η αρχική αποστολή των αισθητήρων αυτών δεν προοριζόταν για τη μέτρηση της βροχής. Καμπή στην ιστορία της μέτρησης της βροχής από το διάστημα αποτέλεσε η αποστολή Tropical Rainfall Measuring Mission TRMM μια συνεργασία μεταξύ της Αμερικανικής NASA και της Ιαπωνικής JAXA. Η επιτυχία της αποστολής αυτής είναι τεράστιας σημασίας.

33 Δορυφορικό ραντάρ Δορυφόρος Tropical Rainfall Measuring Mission TRMM

34 Έχουμε δραστική εκπομπή ακτινοβολίας από το δορυφορικό ραντάρ και λήψη ανακλώμενης ακτινοβολίας. Όπως και σε επίγειο ραντάρ.

35 Το δορυφορικό ραντάρ κατοπτεύει συνεχώς την ατμόσφαιρα της Γης κατά την περιστροφή του δορυφόρου γύρω από αυτή. Καθώς εκτελεί πολική τροχιά ο δορυφόρος, το ραντάρ σαρώνει την ατμόσφαιρα σε «λωρίδες»

36 Βροχομετρικό ραντάρ TRMM PR (TRMM Precipitation Radar)-μονάδες και πάλι dbz

37 Όπως με το επίγειο ραντάρ, έτσι και με το δορυφορικό ραντάρ υπάρχει δυνατότητα μετατροπής της ανάκλασης σε ισοδύναμο ύψος βροχής

38 Το δίκτυο των επίγειων βροχομέτρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση του δορυφορικού ραντάρ

39 Πως συγκρίνεται το επίγειο με το δορυφορικό ραντάρ; Σημαντική ομοιότητα, τουλάχιστον ποιοτικά. Δυνατότητα ρύθμισης του δορυφορικού ραντάρ χρησιμοποιώντας το επίγειο ραντάρ. Και δυνατότητα ρύθμισης πολλών επίγειων ραντάρ χρησιμοποιώντας το δορυφορικό σαν πρότυπο!! επίγειο δορυφορικό

40 Η μεγάλη τεχνολογική ανάπτυξη των οργάνων μέτρησης της βροχής, είτε άμεσα επί του εδάφους, είτε τηλεπισκοπικά εξ αποστάσεως, έχει αλλάξει σε μεγάλο βαθμό την αντίληψη που έχουμε για την κατανομή της βροχής, σε τοπική, περιφερειακή και παγκόσμια κλίμακα. Με τον συνδυασμό επίγειων και τηλεπισκοπικών μετρήσεων της βροχής, για πρώτη φορά, γίνεται πιο γνωστή η κατανομή της βροχής σε παγκόσμια κλίμακα (ακόμη και πάνω από τους ωκεανούς), με βελτίωση των γνώσεων πάνω σε πολλούς τομείς: Υδρολογία/Υδρολογικό κύκλο Κλιματικές μεταβολές κτλ

41 Συνδυάζοντας παρατηρήσεις από επίγεια βροχόμετρα, μετεωρολογικά ραντάρ και δορυφορικές μετρήσεις είναι τώρα δυνατή η πληρέστερη γνώση της κατανομής της βροχής για ολόκληρο τον πλανήτη. Η γνωστή μας κατανομή με μόνο τα βροχόμετρα (αριστερά) με την κατανομή που προκύπτει χρησιμοποιώντας όλες τις διαθέσιμες πλατφόρμες (δεξιά).

42 Global Precipitation Measurement (GPM) Mission Η μεγάλη επιτυχία που είχε η αποστολή TRMM οδήγησε σε παραπέρα επέκταση αλλά και αναβάθμιση του δικτύου των δορυφορικών ραντάρ. Μεταξύ των NASA και JAXA υπάρχει σε προχωρημένο επίπεδο σχεδιασμός για 8-10 δορυφόρους εφοδιασμένους τόσο με παθητικούς αισθητήρες όσο και με μετεωρολογικά ραντάρ.

43 Global Precipitation Measurement Το περασμένο Φεβρουάριο τέθηκε σε τροχιά ο πρώτος δορυφόρος (Core Observatory) που μεταφέρει όργανα τα οποία θα θέσουν νέα πρότυπα μέτρησης της βροχής από το διάστημα. Ολόκληρος ο πλανήτης θα βρίσκεται κάτω από πολύ πιο συχνή παρακολούθηση ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός του ποσού βροχής ανά τρίωρο.

44 Global Precipitation Measurement Ολόκληρος ο πλανήτης θα βρίσκεται κάτω από πολύ πιο συχνή παρακολούθηση. Θα είναι δυνατός ο υπολογισμός του ποσού βροχής ανά τρίωρο.

45 Το μέλλον! Επίγεια ραντάρ Δορυφορικά ραντάρ 10 Ακουστικά υδρόφωνα 100 Distrometers Βροχόμετρα Γεωστατικοί δορυφόροι 5-10 Δορυφόροι πολικής τροχιάς

46 Δυο συμπερασματικά σχόλια: Είναι αξιοθαύμαστη η επινοητικότητα του ανθρώπου στην επιμέτρηση της βροχής, αλλά και η άμεση αξιοποίηση κάθε νέας τεχνολογικής εξέλιξης. Όμως παρά τις όποιες εξελίξεις στην τηλεπισκοπική τεχνολογία, οι επίγειες (άμεσες) μετρήσεις (ground truth πραγματική τιμή στο έδαφος) θα παραμείνουν ίσως για πάντα αναπόσπαστο μέρος της όλης προσπάθειας μέτρησης της βροχής σε τοπικό, περιφερειακό και παγκόσμιο επίπεδο. Σας ευχαριστώ.