Υπάρχοντα εργαλεία τοπογραφικής αναπαράστασης Καταγραφή του τρόπου λειτουργίας και εισαγωγής γεωγραφικών δεδομένων στο αριθμητικό μοντέλο WRF

Transcript

1 Υπάρχοντα εργαλεία τοπογραφικής αναπαράστασης Η αναπαράσταση της τοπογραφίας στο WRF πραγματοποιείται μέσω ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model, DEM) το οποίο έχει προέλθει από παγκόσμιες παρατηρήσεις του SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) με εφαρμογή της τεχνικής με συμβολόμετρα ραντάρ συνθετική κεραίας (SAR interferometry). Το προϊόν του SRTM είναι διαθέσιμο με ακρίβεια 1 arcsec εντός Ηνωμένων Πολιτειών και 3 arcsec για τις λοιπές περιοχές. Στη βάση δεδομένων του WRF έχει χρησιμοποιηθεί DEM χαμηλότερης ακρίβειας (30 arcsec) το οποίο έχει προκύψει από τα παραπάνω. Εκτός από την τεχνική της συμβολομετρίας, DEM μπορούν να προκύψουν και φωτογραμμετρία από στερεοσκοπικές λήψεις (Toutin 2008), όπως για παράδειγμα από τον ανιχνευτή ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) από τις καταγραφές του οποίου μπορούν να προκύψουν DEM οριζοντιογραφικής ακρίβειας 30 m ή και καλύτερης και ακρίβειας στο κατακόρυφο της τάξης των 20 m (RMSE), όπως έχει παρουσιαστεί για την περιοχή της Ελλάδας από τους Nikolakopoulos et al. (2006), οι οποίοι συνέκριναν DEM προερχόμενα από SRTM και ASTER με επιτόπιες γεωδαιτικές μετρήσεις. Πρόσφατα (2009), παρήχθηκε ένα παγκόσμιο DEM (GDEM: Global DEM) και έγινε διαθέσιμο χωρίς κόστος μέσω του διαδικτύου (Abrams et al. 2010). To DEM αυτό οριζοντιογραφικής ακρίβειας 30 m, αξιολογήθηκε για την περιοχή της Ελλάδας από τους Chrysoulakis et al. (2011) και η ακρίβειά του στο κατακόρυφο εκτιμήθηκε κοντά στα 20 m (RMSE). Πολύ πρόσφατα (2011) έγινε διαθέσιμη μια βελτιωμένη (με μειωμένα τεχνητά σφάλματα σε σημεία αποτυχίας του αλγορίθμου παραγωγής) έκδοση του GDEM (ASTER GDEM Validation Team, 2011). Η ομάδα του ΑΚΑΙΠΡΟ έκρινε ότι η παραγωγή βελτιωμένων ψηφιακών χαρτών για τον Ελλαδικό χώρο είναι το πρώτο βήμα για τη διερεύνηση της επιρροής της τοπογραφίας στα αποτελέσματα του αριθμητικού μοντέλου. Η έκδοση αυτή του GDEM κρίθηκε κατάλληλη από την ομάδα του AKAIΠΡO για την αντικατάσταση του δεδομένου DEM στη βάση δεδομένων του WRF για το εμφωλευμένο χωρίο διάστασης 10 km που καλύπτει την περιοχή των Βαλκανίων και για το οποίο είναι επιθυμητή η όσο το δυνατόν πιο λεπτομερής αναπαράσταση της τοπογραφίας. Καταγραφή του τρόπου λειτουργίας και εισαγωγής γεωγραφικών δεδομένων στο αριθμητικό μοντέλο WRF Για την κατασκευή του υπολογιστικού χωρίου, τα γεωγραφικά δεδομένα-ψηφιακό

2 μοντέλο εδάφους επεξεργάζονται από το πρόγραμμα geogrid του προεπεξεργαστή WPS. Ο σκοπός αυτού του προγράμματος είναι να κατασκευάσει από τη υπάρχουσα βάση δεδομένων του WRF σύμφωνα με τις οδηγίες του χρήστη το χωρίο, καθώς και να χρησιμοποιήσει μεθόδους παρεμβολής για να ορίσει επίγεια δεδομένα στο χωρίο αυτό. Κατ αυτόν τον τρόπο, σε κάθε κόμβο του χωρίου ορίζονται οι κατηγορίες εδάφους, οι κατηγορίες χρήσης γης, υψόμετρα, ετήσιες μέσες τιμές θερμοκρασίες εδάφους, μηνιαία ποσοστά βλάστησης, μηνιαίες λευκαύγειες, μέγιστες λευκαύγειες χιονιού καθώς και κατηγορίες υψομετρικής κλίσης. Τα αποτελέσματα της παρεμβολής είναι δυνατόν να αποθηκευτούν σε κατάλληλη μορφή και να οπτικοποιηθούν με τη βοήθεια εργαλείων τα οποία είναι διαθέσιμα μαζί με το αριθμητικό μοντέλο WRF (πχ. NetCDF). Νέα ή/και ανανεωμένη πληροφορία για τα γεωγραφικά δεδομένα είναι δυνατόν να εισαχθεί στο WRF, αρκεί η πληροφορία να εγγραφεί στην κατάλληλη μορφή ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία της από το πρόγραμμα geogrid. Η πληροφορία μπορεί να είναι είτε συνεχής είτε διακριτή και θα πρέπει να αποθηκευτεί σε δισδιάστατους ή τρισδιάστατους πίνακες σε αρχεία δυαδικής μορφής. Ο τρόπος αποθήκευσης είναι πολύ συγκεκριμένος, με τα δεοδμένα να εγγράφονται γραμμή προς γραμμή ξεκινώντας από την πιο νοτιοδυτική πλευρά του γεωγραφικού χωρίου και καταλήγοντας στην πιο βορειοανατολική. Παραδείγματος χάριν, τα στοιχεία ενός n m πίνακα θα εγγράφονταν με την εξής διάταξη: x 11, x 12,...,x 1m, x 21,...,x 2m,..., x n1,..., x nm, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η πληροφορία είναι δυνατόν να κατανεμηθεί σε περισσότερα του ενός αρχεία, τα οποίων η ονοματοδοσία πρέπει να ακολουθεί συγκεκριμένες συμβάσεις. Όλες οι

3 συμβάσεις που πρέπει να ακολουθηθούν περιγράφονται λεπτομερώς στο εγχειρίδιο του αριθμητικού μοντέλου WRF (ARW Version 3 Modeling System Guide, 2010). Αναλυτική διαδικασία παραγωγής νέου ψηφιακού χάρτη κάλυψης γης Για το παρόν έργο, για την παραγωγή κατάλληλου προϊόντος με βάση το GDEM για χρήση από το WRF, αρχικά ανακτήθηκε χωρίς κόστος μέσω του διαδικτύου μεγάλος αριθμός στοιχείων (tiles) GDEM τα οποία κάλυπταν το χωρίο που αναπαριστά την περιοχή των Βαλκανίων. Η περιοχή αυτή καλύπτει ένα παραλληλόγραμμο με συντεταγμένες του κάτω αριστερού κόμβου (31.5Ν, 16.5Ε) και του πάνω δεξιού κόμβου (43.5Ν, 30.5Ε). όπως απεικονίζεται Στη συνέχεια τα διάφορα στοιχεία συνενώθηκαν σε ένα ενιαίο μωσαϊκό χάρτη (mosaic) ο οποίος κάλυπτε όλο το domain σε οριζοντιογραφικό σημείο αναφοράς (datum) Geographic/WGS84 και κατακόρυφο σημείο αναφοράς (datum) EGM96, όπως έχει περιγραφεί από τους Chrysoulakis et al. (2011). Χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ERDAS Imagine και το τελικό προϊόν εξήχθηκε στο (standard) GeoTIFF format. Η περιοχή που παράχθηκε απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα.

4 Το επόμενο βήμα περιελάμβανε την μετατροπή του τελικού DEM σε μορφή geogrid σύμφωνα με τις οδηγίες του εγχειρίδιου του WRF, ώστε να είναι κατάλληλο για απευθείας αξιοποίηση από το WRF. Ταυτόχρονα έγιναν και οι απαραίτητες μετατροπές στα αντίστοιχα αρχεία εισόδου του προ-επεξεργαστή WPS, έτσι ώστε να δηλωθεί η νέα τοπογραφία καθώς και οι μέθοδοι παρεμβολής για εύρεση όλων των απαραίτητων παραμέτρων στους κόμβους του υπολογιστικού χωρίου. Ας σημειωθεί ότι για τα δεδομένα που αφορούν τις κατηγορίες εδάφους, χρήσης γης κλπ. (όπως αυτές αναφέρονται στην προηγούμενη ενότητα) στη νέα τοπογραφία, ορίστηκε να χρησιμοποιηθεί η υπάρχουσα βάση δεδομένων του WRF (κατά USGS) και να ακολουθηθεί η παρεμβολή που ακολουθείται για την τοπογραφία ακρίβειας 30 arcsecs. Πραγματοποιήθηκαν πολλές δοκιμές, με τρεις διαφορετικές κωδικοποιήσεις, χρησιμοποιώντας τόσο το DEM που αντιστοιχούσε σε ολόκληρο το γεωγραφικό χωρίο όσο και διάφορες χωρικές υποδιαιρέσεις του (πχ για την περιοχή της Πελοποννήσου, βλέπε παρακάτω εικόνα που παράχθηκε από το λογισμικό ERDAS Imagine). Όμως, το τελικό DEM, ανάλυσης 30 m, παρόλο που ακολουθήθηκαν πιστά οι οδηγίες για τη μετατροπή του, δε στάθηκε δυνατό να αξιοποιηθεί άμεσα από το μοντέλο. Ο πιθανότερος λόγος της αποτυχίας εικάζεται να είναι η μεγάλη διαφορά στην ανάλυση του τελικού DEM από το τυπικό του WRF. Η λύση βρέθηκε ακολουθώντας μια διαφορετική προσέγγιση για μετατροπή από το

5 GeoTIFF προϊόν σε geogrid κατά τους Beezley et al. (2011) με χρήση κατάλληλου μετατροπέα, ο οποίος ήταν διαθέσιμος στο διαδίκτυο (βλέπε Όμως και στην περίπτωση αυτή απαιτήθηκε να πραγματοποιηθούν πολλές δοκιμές και διαπιστώθηκε ότι δεν ήταν δυνατό να αξιοποιηθεί το τελικό DEM στην πλήρη του ανάλυση (30 m 30 m) από το WRF, γιατί μια τέτοια μετατροπή δε μπορούσε να υποστηριχθεί. Η αιτία έγκειται στο ότι λόγω των ακολουθούμενων συμβάσεων για το όνομα των παραγομένων αρχείων, δεν μπορούμε να έχουμε πάνω από αρχεία, ενώ τα παραγόμενα αρχεία με αυτή την ακρίβεια ξεπερνούν κατά πολύ τις Συνεπώς, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί δευτερογενές DEM ανάλυσης 60 m 60 m (εκτιμήθηκε πειραματικά), το οποίο προέκυψε από DEM ανάλυσης 3 m 30 m με διγραμμική χωρική παρεμβολή, με σκοπό τον περιορισμό των παραγομένων αρχείων. Για το νέο DEM, οι συντεταγμένες του κάτω αριστερού κόμβου είναι (29.4Ν, 16.8Ε) και του πάνω δεξιού κόμβου (42.9Ν, 29.7Ε). Η περιοχή που παράχθηκε απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα:

6 Στη συνέχεια το δευτερογενές αυτό DEM υποδιαιρέθηκε σε 5 υπο-περιοχές αποτελούμενες από pixels η καθεμία σε μορφή GeoTIFF. Οι περιοχές αυτές, σύμφωνα με τις οδηγίες του εγχειριδίου δεν πρέπει να επικαλύπτονται. Τέλος, το DEM καθεμίας από τις παραπάνω υπο-περιοχές μετατράπηκε σε μορφή geogrid, άμεσα αξιοποιήσιμη από το WRF, κατά Beezley et al. (2011). Οι υποπεριοχές αυτές συνενώθηκαν με τη δημιουργία κατάλληλου πηγαίου κώδικα και μέρος του DEM που περιλαμβάνει τον Ελλαδικό χώρο, όπως παράχθηκε από τον προ-επεξεργαστή WPS και απεικονίστηκε με τη χρησιμοποίηση του πακέτου NetCDF, δίδεται στην παρακάτω εικόνα: Δίδεται παρακάτω για σύγκριση και η αντίστοιχη απεικόνιση της υπό κάλυψη περιοχής χρησιμοποιώντας την βάση δεδομένων του WRF σε ακρίβεια 30 arcsecs:

7 Είναι προφανής η αποτύπωση περισσότερης πληροφορίας στη νέα απεικόνιση και αναμένεται να εξεταστεί εάν η καλύτερης ακρίβειας χάρτες κάλυψης γης βοηθήσουν στην βελτίωση της ακρίβειας των προβλέψεων του αριθμητικού μοντέλου, ειδικά υπό συνθήκες ακραίων καιρικών φαινομένων, όπου τα χαρακτηριστικά της τοπογραφίας μπορεί να αποδειχθούν κρίσιμα για την περαιτέρω εξέλιξη των φαινομένων. Βιβιλιογραφία Abrams, M., B. Bailey, H. Tsu, and M. Hato, The ASTER Global DEM. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 76, 3, ARW Version 3 Modeling System Guide, July 2010, NCAR Mesoscale & Microscale Meteorology Division. ASTER GDEM Validation Team, ASTER global DEM validation: Summary of validation results ( Beezley, J. D., Kochanski, Α. Κ. and Mandel, J., Integrating high-resolution static data into WRF for real fire simulations. Proc. of the 9th Symposium on Fire and Forest Meteorology, Palm Springs, CA, Americal

8 Meteorological Society, October Chrysoulakis, N., Abrams, M., Kamarianakis, Y. and M. Stanisławski, Validation of the ASTER GDEM for the area of Greece. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 77, Nikolakopoulos, K., Kamaratakis, E. and N. Chrysoulakis, SRTM vs ASTER Elevation Products. Comparison for two regions in Crete, Greece. International Journal of Remote Sensing, 27, Rodríguez, E., Morris, C. S. and Belz, Z. E., A global assessment of the SRTM performance. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 72, Toutin, Th., ASTER DEMs for geomatic and geoscientific applications: a review, International Journal of Remote Sensing, 29,