Τηλεπισκόπηση και Προσομοίωση Πεδίου Ομίχλης
Από RemoteSensing Wiki
Τηλεπισκόπηση και Προσομοίωση Πεδίου Ομίχλης
Αντικείμενο Εφαρμογής: Μελέτη επεισοδίων θαλάσσιας και ηπειρωτικής ομίχλης για τη βελτίωση της πρόβλεψης τους.
Πρωτότυπος Τίτλος: The fog remote sensing and modeling field project
Συγγραφείς: I. Gultepe, Cloud Physics and Severe Weather Research Section, Meteorological Research Division, Science and Technology Branch, Environment Canada, Toronto, Ontario, Canada; Pearson—National Laboratory for Marine and Coastal Meteorology, Environment Canada, Dartmouth; Nova Scotia, Canada; Milbrandt—Numerical Weather Prediction Research Section, Meteorological Research Division, Science and Technology Branch, Environment Canada, Dorval, Quebec, Canada; Platnick—Laboratory for Atmospheres, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland; Taylor and Gordon—Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto, Ontario, Canada; Oakley—School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester, Manchester, United Kingdom
Πηγή: AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY Μarch 2009, p.342-359 [1]
Λέξεις Κλειδιά: Ομίχλη, Διαχείριση Ενέργειας, Τηλεπισκόπηση, Θερμικές Υπέρυθρες Εικόνες
Περίληψη: Η παρούσα μελέτη παρέχει μια γενική εικόνα των εργασιών πεδίου του έργου FRAM(Τηλεπισκόπηση της Ομίχλης και Μοντελοποίηση). Οι εκστρατείες πεδίου FRAM πραγματοποιήθηκαν και οι δύο το χειμώνα του 2005/06 και τα καλοκαίρια του 2006 και του 2007. Οι στόχοι του έργου είναι να κατανοήσουμε καλύτερα τον κύκλο ζωής των θαλάσσιων και ηπειρωτικών ομιχλών, τη βελτίωση της παραμετροποίησης της μικροφυσικής της ομίχλης, για τη μοντελοποίηση και για εφαρμογές τηλεπισκόπησης, και η βελτίωση της πρόβλεψης.
Τα αποτελέσματα μπορούν να συμβάλουν στη μείωση των οικονομικών απωλειών από τα οδικά, εναέρια και θαλάσσια συστήματα μεταφορών, τα οποία μπορούν να επηρεαστούν σημαντικά από απρόβλεπτες συνθήκες χαμηλής ορατότητας.
Χρησιμοποιήθηκαν λεπτομερείς επιφανειακές παρατηρήσεις που περιλάμβαναν μικροφυσικές μετρήσεις όπως η ολική συγκέντρωση, το μέγεθος και η μάζα σταγονιδίων και αερολυμάτων. Τα παράγωγα των δεδομένων MODIS και GOES αρχειοθετήθηκαν για μελλοντική ανάπτυξη και αξιολόγηση. Τα αποτελέσματα του FRAM πρότειναν την ενσωμάτωση διαφορετικών οργάνων και πλατφόρμες τηλεπισκόπησης σε διαδικασίες προσομοίωσης για τη βελτίωση της κατανόησης του φαινομένου σε διάφορες κλίμακες.
Εισαγωγή: Οι συνολικές οικονομικές απώλειες που συνδέονται με την επίδραση της ομίχλης σε αεροπορικές, θαλάσσιες και χερσαίες μεταφορές μπορούν να συγκριθούν με αυτές των χειμερινών καταιγίδων(Εικ.1). Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι ανθρώπινες και οικονομικές απώλειες λόγω ατυχημάτων που σχετίζονται με τα επεισόδια ομίχλης είναι πολύ κοινές. Ο Petterssen (1956) πρότεινε μια ταξινόμηση της ομίχλης με βάση τη θερμοκρασία (T) η οποία μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύποι: 1) υγρή ομίχλη (T> -10 ° C), 2) ομίχλη μικτής φάσης(-10 ° C> Τ> -30 ° C), και 3) ομίχλη πάγου (Τ <-30 ° C). Αυτά τα κριτήρια όμως δεν ικανοποιούνται πάντα με σαφή τρόπο.
Οι αλληλεπιδράσεις εδάφους-ατμόσφαιρας είναι σημαντικές για τον σχηματισμό της ομίχλης και τη διάχυση της. Η πρόβλεψη σήμερα γίνεται χρησιμοποιώντας λεπτομερή μονοδιάστατα (1D) μοντέλα οριακών στρωμάτων (BL) που χρησιμοποιούν αρχικές συνθήκες που έχουν ληφθεί από 3D μοντέλα περιορισμένης έκτασης ή από μοντέλα νέφωσης και ομίχλης. Οι τρέχουσες παραμετροποιήσεις για την ορατότητα ομίχλης (Vis) στα αριθμητικά μοντέλα δεν είναι ακριβής εξαιτίας της ελλιπούς αντιμετώπισης των φυσικών και μικροφυσικών ζητημάτων. Δορυφορικές παρατηρήσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση ομίχλης τη νύχτα όταν τα μεσαία και υψηλού επιπέδου σύννεφα δεν είναι παρόντα, λόγω της ανίχνευσης μόνο της υπέρυθρης ακτινοβολίας από το κανάλι των 3,7 μm. Ως εκ τούτου, ένας αλγόριθμος ημερήσιας ομίχλης πρέπει να συμπεριλάβει την αφαίρεση της συνεισφοράς των βραχέων κυμάτων (SW) στο κανάλι αυτό. Ο συνδυασμός παρατηρήσεων από επιφανειακούς αισθητήρες, τηλεπισκόπησης και δεδομένων προσομοίωσης, μπορεί να βελτιώσει τις προβλέψεις για ημερήσιες εφαρμογές. Για την καλύτερη αξιολόγηση των προβλέψεων σχηματισμού ομίχλης, ανάπτυξης και διάχυσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτόπιες μετρήσεις για λόγους επαλήθευσης. Αυτό μπορεί να γίνει με 1) αναλυμένα κλιματολογικά δεδομένα επιφάνειας , 2) επιτόπιες παρατηρήσεις και 3) δεδομένα τηλεπισκόπησης.
Αρκετές μελέτες που επικεντρώνονται στην ομίχλη και σε άλλα οριακά στρώματα εκτελέστηκαν τις τελευταίες δεκαετίες. Τα μέσο- και μικρομετεωρολογικά πειράματα περιλαμβάνουν ένα χερσαίο και θαλάσσιο δίκτυο παρατηρήσεων ακτινοσκόπησης, πλοία, αεροσκάφη, μπαλόνια, και χαρταετούς. Μελέτες με βάση παρατηρήσεις συμπληρώθηκαν με τη μελέτη μοντέλων. Η φυσική και χημική συμπεριφορά του πολυφασικού συστήματος ομίχλης μελετήθηκε πειραματικά ακολουθώντας τη χρονική εξέλιξη χημικών στοιχείων στις διάφορες φάσεις (αέρια, σταγονίδια, ενδιάμεσο αεροζόλ) και μικροφυσικές συνθήκες κατά τη διάρκεια του σχηματισμού ομίχλης, της εξέλιξης και της περιόδου διάλυσης.
Επιστημονικοί Στόχοι: Οι γενικοί στόχοι του FRAM είναι
1)να χαρακτηρίσει τον σχηματισμό ομίχλης, την εξέλιξη και τη διασπορά της σε ηπειρωτικό και θαλάσσιο περιβάλλον
2) η παραμετροποίηση της μικροφυσικής ομίχλης για αριθμητικές εφαρμογές μοντέλου πρόβλεψης καιρού
3)η βελτίωση της προσομοίωσης αριθμητικών μοντέλων και των εφαρμογών τηλεπισκόπησης
4) να βελτιωθούν και να κατανοηθούν οι δυνατότητες των οργάνων για την ανίχνευση της ομίχλης και του περιβάλλοντος της και των μετρήσεων των σχετικών μικροφυσικών παραμέτρων της και
5) να ενσωματώσει δεδομένα παρατήρησης και μοντέλων για τη βελτίωση της αβεβαιότητας σε προβλέψεις και ανιχνεύσεις ομίχλης
Περιοχή Μελέτης και Όργανα Έργου:
Εκπονήθηκαν τρείς εκστρατείες του έργου FRAM σε δύο περιοχές του Καναδά:
1) Στο Κέντρο Πειραματικής Έρευνας για την Ατμόσφαιρα (CARE) κοντά στο Egbert, Οντάριο (FRAM-C), κατά την περίοδο Νοεμβρίους 2005 - Απρίλιος 2006 για ηπειρωτικά περιβάλλοντα ομίχλης,
και 2)στο Lunenburg, Nova Scotia (FRAM-L), για περιβάλλοντα θαλάσσιας ομίχλης¨, με τα FRAM-L1 και L2 τον Ιούνιο 2006 και τον Ιούνιο 2007 αντίστοιχα. Το FRAM-L2 υλοποιήθηκε για τη στατιστική σύγκριση της εμφάνισης ομίχλης και της απόδοσης του οργάνου στην ίδια περιοχή για δύο συνεχόμενα έτη. Οι τοποθεσίες για το FRAM επιλέχθηκαν με βάση κλιματολογικά στοιχεία 30ετών των σχετικών τοποθεσιών. Οι παρατηρήσεις από τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν, συλλέχθηκαν με ρυθμό δειγματοληψίας 1 Hz, εξαιρουμένων των μετρήσεων στροβιλισμών που συλλέχθηκαν στα 32 Hz . Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν περιλαμβάνουν σταγονίδια, σωματίδια πάγου και μεγέθη και αριθμούς αεροσόλ από οπτικούς αισθητήρες, ορατότητα , περιεκτικότητα σε υδρατμούς (LWC), σχετική υγρασία (RHw), και διαδρομή υγρού νερού (LWP). Η κάλυψη της ομίχλης και μερικές μικροφυσικές παράμετροι (π.χ., μέγεθος σταγονιδίων, φάσεις κτλ) αποκτήθηκαν από τα GOES και MODIS .Ένα νέο όργανο που ονομάζεται ClearView χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της ορατότητας από εικόνες που τραβήχτηκαν μέσω μιας ψηφιακής κάμερας.
Ο συνολικός αριθμός περιπτώσεων με Vis <1 km κατά τη διάρκεια του FRAM-C ήταν 19. Κατά τη διάρκεια των FRAM-L1 και FRAM-L2,ο συνολικός αριθμός των περιπτώσεων με Vis <1 km ήταν 27 και 10, αντίστοιχα. Κατά τη διάρκεια του FRAM-L2, χρησιμοποιήθηκαν κάποια επιπλέον όργανα , οι μετρήσεις αυτών των οργάνων μπορούν να είναι χρήσιμες για να υποδείξουν τη διαθεσιμότητα της υγρασίας στην επιφάνεια λίγο πριν από το σχηματισμό ομίχλης.
Έννοια της Ορατότητας: Για τη μέτρηση της ορατότητας χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα όργανα: 1) FD12P, 2) DMIST ClearView και 3) FMD. Οι υπολογισμοί ορατότητας που χρησιμοποιήθηκαν για αυτά βασίστηκαν στην απαλοιφή του ορατού φωτός. Χρησιμοποιώντας τα φάσματα των σωματιδίων που μετρούνται με FMD, η Vis λαμβάνεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο, όπου ο συντελεστής απόσβεσης επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία Mie για τα σταγονίδια:
Vis = -ln (0,05) / βext, (1)
Το FD12P παρέχει τις μετεωρολογικές παρατηρήσεις (MOR) που βασίζονται στην αντίθεση με κατώτατο όριο το 0,05. Η ορατότητα μπορεί να παραμετροποιηθεί αναζητώντας μια σχέση μεταξύ Ni (συγκέντρωση αριθμού κρυστάλλων πάγου για ομίχλη πάγου) και Vis.
Αρχικά Αποτελέσματα: Παρατηρήθηκε μια υψηλή συχνότητα σχηματισμού ομίχλης (έως 5%) στο αεροδρόμιο του Pearson με ορατότητα λιγότερο από 1 χλμ που εμφανίζεται κατά τους μήνες Οκτώβριο και Μάρτιο. Η συχνότητα ομίχλης φθάνει το 30% κατά τη διάρκεια Μαΐου-Αυγούστου για το Shearwater (Εικ.2) . Η συχνότητα εμφάνισης ομίχλης για το FRAM-C και το FRAM-L1 βρέθηκε να είναι ~ 16% και ~ 77% , αντίστοιχα (για Vis <1 km και διάρκεια πάνω από 15 λεπτά). Τα δεδομένα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της έρευνας έδειξαν ότι η εμφάνιση ομίχλης τόσο για τις περιοχές του Οντάριο όσο και για τη Νέα Σκοτία ήταν πολύ υψηλότερη από εκείνη που χρησιμοποιείται στην κλιματολογία της ομίχλης. Αυτό το αποτέλεσμα είναι πιθανό να επηρεάζεται από 1) την ακτή κοντά, που είναι πιο ομιχλώδης γενικότερα, και από 2) την πιθανότητα εμφάνισης ομίχλης για οποιοδήποτε δεδομένο μήνα. Επιπλέον, οι περίοδοι της έρευνας ήταν μικρής διάρκειας και μπορεί να μην είναι αντιπροσωπευτικές του τοπικού κλίματος.
Μελέτη Περίπτωσης 27 Ιουνίου 2006 : Η οριζόντια μεταφορά ζεστού και υγρού αέρα πάνω από τον Ατλαντικό Ωκεανό από τα νότια της περιοχής στις 27 Ιουνίου 2006 κατέληξε σε τιμές χαμηλού ορίου ορατότητας. Το στρώμα ομίχλης κινήθηκε προς τα πίσω πάνω από τον ωκεανό κατά τη διάρκεια της ημέρας, η ορατότητα που λήφθηκε από το FD12P, ήταν λιγότερο από 0,5χλμ από τα μεσάνυχτα μέχρι τις αρχές του πρωινού . Μετά τις 1800 EST, η ομίχλη κινήθηκε ξανά με ορατότητα λίγες εκατοντάδες μέτρα. Η ανάλυση των παρατηρήσεων από το ClearView έδειξε ότι η Vis άλλαξε κατά τη διάρκεια της ημέρας από ~ 150 μ. νωρίς το πρωί σε περίπου 3 χλμ. το μεσημέρι .Οι δορυφορικές παρατηρήσεις GOES συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του FRAM. Ένας αλγόριθμος ομίχλης , με βάση την ενσωμάτωση των εικόνων του GOES και τους Καναδικού Παγκόσμιου Πολυκριτηριακό Μοντέλο (GEM) αριθμητικής καιρικής πρόβλεψης (NWP) , χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση ομίχλης κατά τη διάρκεια της μελέτης. Η νεφοκάλυψη μέσω του MODIS ήταν επίσης διαθέσιμη από ηλεκτρονική βάση δεδομένων (Εικ.3). Η Reff (Εικ. 4) υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό καναλιών που περιλαμβάνουν το κανάλι MODIS 2.1-μm , αυτό γιατί ο υπολογισμός χρησιμοποιώντας το κανάλι MODIS 3.7-μm δίνει ακτίνες πολύ μικρότερες σε σχέση με τις επιτόπια παρατηρούμενες. Κάποιες σημαντικές διαφορές μεταξύ των Reff του FMD και του MODIS Terra οφείλονται στο ότι κατά τη διάρκεια του περάσματος του δορυφόρου η ομίχλη είχε υποχωρήσει.
Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, διαπιστώθηκε ότι το LWC αυξάνεται με την αύξηση του Nd και ότι η Vis μειώνεται με την αύξηση του LWC και της Nd, τα οποία φαίνονται στην Εικ. 5 a, b, αντίστοιχα. Χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις του LWC και της Nd από τον FMD, η ταχύτητα κατακάθισης της ομίχλης (Fsr) ως συνάρτηση τόσο του LWC όσο και της Nd, και του Vis έναντι 1 / (LWC* Nd) φαίνονται στην Εικ. 5 c, d, αντίστοιχα. Αυτά τα στοιχεία υποδεικνύουν ότι οι παραμετροποιήσεις της Vis θα πρέπει να περιλαμβάνουν τόσο το LWC όσο και την Nd. Στη συνέχεια της μελέτης παρουσιάζονται άλλες δύο περιπτώσεις ομίχλης πάγου που δεν χρησιμοποιούν δεδομένα τηλεπισκόπησης, για αυτό και δεν παραθέτονται εδώ.
Στη συνέχεια διενεργήθηκαν 3D προσομοιώσεις με χρήση του μοντέλου μέσης κλίμακας του Καναδά (MC2) για να διερευνηθεί το κατά πόσο είναι εφικτή η πρόβλεψη της ορατότητας μόνο μέσω ενός NWP. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αυτό είναι εφικτό μέσω μια νέας παραμετροποίσης που βασίζεται στην Nd και το LWC.
Τέλος ερευνάται η σχέση μεταξύ της ορατότητας και της σχετικής υγρασίας, αλλά και οι κατανομές συχνότητας των Nd , LWC, και Reff.
Συμπεράσματα: Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα εργασία δίνονται παρακάτω.
- Τα μικροφυσικά χαρακτηριστικά για θαλάσσια και ηπειρωτική ομίχλη βρέθηκαν να διαφέρουν σημαντικά, και απαιτούν ξεχωριστές παραμετροποιήσεις.
- Παρατηρήσεις τηλεπισκόπησης από ένα ραντάρ, ραδιόμετρα, και δορυφόρους μπορούν να φανούν χρήσιμες για την παρατήρηση της κάλυψης ομίχλης, της ορατότητας, και της φάσης της.
- Η αλληλεπίδραση μικροφυσικών, δυναμικών (π.χ.τύρβη), διαδικασιών ακτινοβολίας και επιφανειακών συνθηκών (π.χ. υγρασία εδάφους και θερμοκρασία) παίζουν σημαντικό ρόλο στον κύκλο ζωής της ομίχλης. Αυτό προσομοιώνεται χρησιμοποιώντας ένα λεπτομερές μοντέλο πρόβλεψης και παρατηρήσεις που συγκεντρώθηκαν κατά τη διάρκεια του FRAM.
- Χρησιμοποιήθηκαν αρκετά νέα μέσα για τη συλλογή παρατηρήσεων του περιβάλλοντος της ομίχλης, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικύρωση προσομοιώσεων μοντέλων.
- Ο συνδυασμός παρατηρήσεων ομίχλης και βροχοπτώσεων μπορεί να αυξήσει την κατανόηση του ρόλου της ελαφράς βροχόπτωσης που δεν εξετάζεται επί του παρόντος στον υπολογισμό της ετήσιας βροχόπτωσης.
- Με βάση τις μετρήσεις εισερχόμενης ακτινοβολίας, οι αλλαγές θερμοκρασίας που προκύπτουν από την επίδραση της ομίχλης μπορεί να φθάσουν τους -9 ° C ανά ώρα σε ομίχλη πάχους 1 km.
- Η περιορισμένη εμφάνιση ομίχλης κατά τη διάρκεια του FRAM-C υποδηλώνει ότι το Vis μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά από μικρούς κρυστάλλους πάγου. Επομένως, πρέπει να ληφθεί υπόψη σε μελλοντικές μελέτες.
- Η ενσωμάτωση παραμέτρων που βασίζονται σε μοντέλο όπως η RHw και η θερμοκρασία επιφάνειας μαζί με δορυφορικούς αλγορίθμους μπορεί να βελτιώσει την πρόβλεψη της ομίχλης μέχρι και 30%.
Συνολικά, οι εκτεταμένες παρατηρήσεις που λήφθηκα κατά τη διάρκεια του FRAM επιτρέπουν την περιγραφή των θαλάσσιων και ηπειρωτικών συνθηκών ομίχλης σε διάφορες θερμοκρασίες και τη σύγκριση της μικροφυσικής της ομίχλης με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αριθμητικές προσομοιώσεις και την ανάλυση των τηλεπισκοπικών εικόνων.
