Δορυφορική τηλεπισκόπηση των χαλαζοπτώσεων στη Γαλλία
Από RemoteSensing Wiki
Satellite remote sensing of hailstorms in France
Pablo Melcón, Andrés Merino, , José Luis Sánchez, Laura López, Lucía Hermida Laboratory of Atmospheric Physics, IMA, University of León, 24071 León, Spain Received 4 May 2016, Revised 7 July 2016, Accepted 1 August 2016, Available online 3 August 2016
πηγή: [[1]]
Μετάφραση και Περίληψη
1. Εισαγωγή
Χαλαζοπτώσεις, προκαλούνται από σοβαρή συναγωγή, προκαλώντας σημαντικές ζημιές στις καλλιέργειες και τις περιουσίες. Λόγω των μικρών χωρικών και χρονικών κλιμάκων που εμπλέκονται, είναι δύσκολο να καθοριστούν περιοχές που έχουν πληγεί από τις πτώσεις χαλαζιού. Αυτό εμποδίζει την αναλυτική μελέτη των ιδιοτήτων χαλαζόπτωσης και την ανάπτυξη εργαλείων για τον εντοπισμό και την πρόβλεψη τέτοιων γεγονότων. Η νέα γενιά των μετεωρολογικών δορυφόρων, όπως Meteosat Second Generation (MSG), επέτρεψε την ανάπτυξη νέων εργαλείων που αποφεύγουν ορισμένες από τις δυσκολίες σχετικά με το χαλάζι. Ο κύριος αισθητήρας της MSG είναι ο Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI). Ο Merino et al. (2015) ανέπτυξε ένα hail detection tool (HDT) χρησιμοποιώντας MSG SEVIRI εικόνες. Αυτό HDT κατασκευάστηκε και επικυρώθηκε για τη Middle Ebro Valley (MEV), επειδή αυτή η περιοχή της Ισπανίας έχει ένα από τις υψηλότερες συχνότητες γεγονότων χαλαζιού στην Ευρώπη. Η μέθοδος είναι δομημένη σε δύο στάδια. Πρώτον, η συναγωγή ταυτοποιείται χρησιμοποιώντας convection mask (CM). Στη συνέχεια, χαλάζι που πέφτει στα συναγωγής σύννεφα, ή η έλλειψη αυτών, προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας hail mask (HM). Το νότιο τμήμα της Γαλλίας έχει επίσης μερικές από τις υψηλότερες συχνότητες πτώσεις χαλαζιού στην Ευρώπη. Ένα εκτεταμένο δίκτυο χαλαζομέτρου διαχειρίζεται η Association Nationale d'Etude et de Lutte contre les Fleáux Atmosphériques (ANELFA) που βρίσκεται σε αυτήν την περιοχή. και επέτρεψε τη δημιουργία μιας εκτενής βάσης δεδομένων, λόγω της τόσο χωρικής έκτασής της, η οποία καλύπτει διαφορετικές περιοχές της χώρας, και συνέχεια σε διαφορετικό χρόνο.
2. Περιοχή μελέτης και βάσεις δεδομένων
Το δίκτυο χαλαζομέτρου ANELFA εκτείνεται σε τέσσερις κύριες περιοχές: τον Ατλαντικό, Πυρηναία, της Μεσογείου και την Κεντρική. Η κεντρική περιοχή δεν χρησιμοποιήθηκε, λόγω του μικρότερου αριθμού των συμβάντων χαλάζι εκεί, σε σύγκριση με τις άλλες τρεις περιοχές. Τα τρία δίκτυα καλύπτουν μια πολύ μεγάλη περιοχή και έχουν μια πολύ υψηλή πυκνότητα χαλαζομέτρου. Αυτό επιτρέπει πιστή αναπαράσταση της κατανομής κάθε χαλαζιού στις περιοχές που καλύπτονται. Τα χαλαζομέτρα παρέχουν πληροφορίες για την εκδήλωση χαλάζι, όπως η μέση και η μέγιστη διάμετρος χαλαζιού και η κίνηση των ενεργειακών δεδομένων. Για να επικυρώσουμε την HDT που αναπτύχθηκε για την MEV, ήταν απαραίτητο να επιλέξουμε τις περιπτώσεις στις οποίες δεν υπήρχε χαλαζόπτωση. Ως εκ τούτου, επιλέξαμε 618 χαλάζι ελεύθερες εκδηλώσεις, που αντιστοιχούν σε χαλαζομέτρηση στην οποία δεν σταματούσε το χαλάζι και καταγράφηκε κατά τις ημέρες χαλαζιού που αναλύθηκαν. Αυτές οι θέσεις ήταν κοντά σε χαλαζόμετρα κρούσης από χαλάζι, και βρέθηκαν να είναι κάτω από το ίδιο σύννεφο cumulonimbus μέσω ανάλυσης εικόνας MSG.
3. Επικύρωση HDT στη Γαλλία
Για την επαλήθευση της εφαρμογής του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε από Merino et al. (2015) για την MEV μέσω του προσδιορισμού του χαλαζιού που πέφτει χρησιμοποιώντας την MSG, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη επικύρωση της HDT στη Γαλλία. Η επαλήθευση της MEV από Merino et al. (2015) έδωσε POD = 76,9% και FAR = 16,7%. Τα παραπάνω αποτελέσματα είναι σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες και τονίζονται οι διαφορές μεταξύ χαλαζοπτώσεις στα νότια της Γαλλίας και της MEV, παρά τη γεωγραφική γειτνίαση τους.
3.1. Επικύρωση ανά περιοχή
Το δίκτυο ANELFA εκτείνεται σε διαφορετικές κλιματικές ζώνες. Είναι για το λόγο ότι η λειτουργία HDT μπορεί να μην είναι ομοιογενής σε όλες τις περιοχές. Ως εκ τούτου, επικυρώνουμε τον αλγόριθμο για κάθε έναν από τους τρεις τομείς της μελέτης. Οι περιοχές του Ατλαντικού και των Πυρηναίων είχαν τα καλύτερα αποτελέσματα, ενώ τα αποτελέσματα ήταν χειρότερα κυρίως στην περιοχή της Μεσογείου. Εν μέρει, τα αποτελέσματα αυτά πρέπει να αναμένονται, λόγω ότι οι περιοχές των Πυρηναίων και στον νότιο Ατλαντικό είναι πολύ κοντά στην MEV. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα χαρακτηριστικά του έντονων καταιγίδων που παράγουν χαλάζι είναι διαφορετικές από εκείνες που μελετήθηκαν στην MEV, ιδιαίτερα στην περιοχή της γαλλικής Μεσογείου. Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν τις διαφορές μεταξύ χαλάζι που παράγουν οι κορυφές συννέφων cumulonimbus στις διάφορες γαλλικές περιφέρειες και στη MEV. Έτσι, οι σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις κορυφές cumulonimbus με χαλάζι στη Γαλλία είναι ο λόγος που ο αλγόριθμος εκπαιδευτηκε για να χρησιμοποιείται σε καταιγίδες MEV και είχε χειρότερες επιδόσεις στη Γαλλία. Επιπλέον, το τμήμα του γαλλικού δικτύου που μοιάζει περισσότερο με την ΜEV είναι η περιοχή της Μεσογείου, όπως θα ήταν αναμενόμενο, με πολύ παρόμοιες τιμές στα κανάλια SEVIRI 1-4. Ωστόσο, οι διαφορές στο κανάλι 6.2-μm ήταν υπεύθυνοι για την φτωχότερες επιδόσεις HDT στην εν λόγω περιοχή. Η HTD επικυρώθηκε από διαδοχικά εφαρμόζοντας δύο μάσκες του, το CM και ΗΜ. Με τον τρόπο αυτό, μια σύγκριση θα μπορούσε να γίνει με τα αποτελέσματα από την MEV. Η μελέτη έγινε με επίκεντρο την HM, επειδή η πιο νέα όψη της παρούσας εργασίας επικεντρώνεται στην αναγνώριση του χαλαζιού που πέφτει από cumulonimbus σύννεφα.
4. Hail Mask ανίχνευσης στη Γαλλία
Κατασκευή του France Hail Mask (FHM) ακολούθησε την ίδια διαδικασία όπως Merino et al. (2015) στην κατασκευή του αρχικού HM. Η Γαλλία έχει το πλεονέκτημα της μεγάλης και αξιόπιστης βάσεις δεδομένων ground-truth hail που παράγουν πολύ αντιπροσωπευτικά και έγκυρα αποτελέσματα. Λογιστική παλινδρόμηση συνέχεια διεξάγεται, εκχύλιση albedos και BTS από τα κανάλια MSG να διακρίνει τη χαλαζόπτωση. Στη συνέχεια κάναμε φυσική ερμηνεία των δεδομένων από τους διαύλους που χρησιμοποιούνται στον αλγόριθμο και τις διαφορές σε σχέση με το MΕV. Η βάση δεδομένων για τη δημιουργία του FHM κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τον CM να φιλτράρονται περιπτώσεις cumulonimbus (με και χωρίς χαλάζι) από την αρχική βάση δεδομένων.
4.1. Στατιστικό μοντέλο
Χρησιμοποιήσαμε λογιστική παλινδρόμηση για να κατασκευαστεί ο νέος αλγόριθμος ανίχνευσης χαλάζι. Αυτή η στατιστική τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως στη μετεωρολογία και κλιματολογία, ιδίως για τον προσδιορισμό και την πρόβλεψη των χαλαζιών. Η τεχνική αυτή διευκολύνει τον προσδιορισμό της πιθανότητας εμφάνισης (Ρ) ενός συγκεκριμένου γεγονότος (κατηγορική μεταβλητή), με βάση τις τιμές των διαφόρων ερμηνευτικών μεταβλητών. Σε αυτή την περίπτωση, καθορίζεται το Ρ ενός χαλαζιού ή hail-free εκδήλωση παρατηρώντας τις τιμές από τα κανάλια MSG. Η κατηγορική μεταβλητή σε αυτή την περίπτωση είναι η παρουσία ή η απουσία του χαλαζιού, που εκφράζονται σε δυαδικό τρόπο (χρησιμοποιώντας την τιμή 1 για το χαλάζι και 0 για χωρίς χαλάζι). Ρ που λαμβάνεται από τον αλγόριθμο για κάθε ομάδα κατηγορική μεταβλητή.
4.2. France hail mask
Λογιστική παλινδρόμηση εφαρμόστηκε στη βάση δεδομένων κατάρτισης που περιγράφεται παραπάνω, με albedos και BTS σε χαλάζι και hail-free εκδηλώσεις. Η προσαρμογή του αλγορίθμου επαληθεύτηκε σε σύγκριση του λόγου πιθανότητας με την δοκιμασία chi-squared, το οποίο απέδωσε σημαντικά αποτελέσματα.
4.3. Φυσική ερμηνεία του FHM
Οι φυσικές ιδιότητες που διευκολύνουν τη διάκριση των περιοχών χαλαζιού από άλλα μέρη του νέφους cumulonimbus είναι τα ακόλουθα: Οπτικό πάχος (fromthe 0,6-μmto 0.8-μmvisible κανάλια), ατμών ανώτερο τροποσφαιρικό νερό ( 6,2-μm κανάλι WV), θερμοδυναμική φάση της κορυφής νέφους (αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας κανάλι 1,6-μm), παρουσία υπέρβασης νεφών (κανάλι IR), και την ταχύτητα ανοδικών ρευμάτων (που σχετίζονται με το μέγεθος των κρυστάλλων του πάγου, χρησιμοποιώντας 3.9- κανάλι μm).
4.4. Επαλήθευση της FHM
Εμείς στη συνέχεια επαληθεύσαμε το FHM χρησιμοποιώντας μια ξεχωριστή βάση δεδομένων. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα κατώτατο όριο 50% για τη διάκριση χαλάζι και hail-free εκδηλώσεις. Πραγματοποιήσαμε και μια ξεχωριστή επαλήθευση σε κάθε μία από τις τρεις περιοχές για να προσδιοριστεί αν ο νέος αλγόριθμος είναι έγκυρος εκεί. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η HDT αναπτύχθηκε για τη MEV και επιδεικνύει εύλογη απόδοση στη νότια Γαλλία. Ωστόσο, οι διαφορές στα χαρακτηριστικά του χαλαζιού που παράγουν cumulonimbus σύννεφα στην εν λόγω περιοχή με εκείνες του ΜEV απαιτούν προσαρμογή αλγόριθμου για να αποκτήσουν τα βέλτιστα αποτελέσματα.
5. Εφαρμογή της FHDT: μελέτη περίπτωσης 29 του Απρίλη του 2012
Στις 29 του Απρίλη του 2012 15:15 - 16:30 UTC, το δίκτυο ANELFA είχε 11 χαλαζομετρήσεις που επηρεαζουν κατά τη διάρκεια ενός επεισοδίου συναγωγής. Όλοι οι επηρεασμένοι χαλαζομετρητές ήταν στην περιοχή των Πυρηναίων. Το France Hail Detection Tool (FHDT), που αποτελείται από την CM και FHM, χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη. Οι περιοχές που υποδεικνύεται από τον FHDT να έχουν υψηλές πιθανότητες χαλαζόπτωσης που επηρέασε τον χαλαζομετρητή ANELFA εκείνη τη στιγμή δείχνει την αθροιστική πιθανότητα χαλάζι κατά τη διάρκεια της συναγωγής του επεισοδίου. Σε αυτό το παράδειγμα, η FHDT δείχνει μια καλή τακτοποίηση όπου πέφτει χαλάζι και καταγράφηκαν από το δίκτυο, υποστηρίζοντας αποτελέσματα κατά την κατασκευή και την επικύρωση της.
6. Συμπεράσματα
Επαληθεύσαμε τη HDT που αναπτύχθηκε από Μερίνο et al. (2015), στο νότιο τμήμα της Γαλλίας, χρησιμοποιώντας χαλαζοπτώσεις που καταγράφονται από το δίκτυο χαλαζομέτρου ANELFA μεταξύ του 2005 και του 2014 ως ground truth. Τα αποτελέσματα δείχνουν αισθητά χαμηλότερη απόδοση του HDT στη Γαλλία σε σχέση με εκείνο στο MEV, με πιθανότητα ανίχνευσης (POD) 60,4% και ποσοστό ψευδών συναγερμών (FAR) 26,6%. Για το λόγο αυτό, ένα νέο εργαλείο έχει αναπτυχθεί για να ταιριάξει στα χαρακτηριστικά των χαλαζοπτώσεων στη Γαλλία. Το France Hail Detection Tool (FHDT) αναπτύχθηκε με τη χρήση της λογιστικής παλινδρόμησης από τα κανάλια της Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) αισθητήρας της MSG. Η FHDT ελέγχθηκε, με αποτέλεσμα POD 69,3% και 15,4% FAR, βελτιώνοντας έτσι την ανίχνευση χαλάζι στην περιοχή μελέτης, σε σύγκριση με το προηγούμενο εργαλείο. Το νέο εργαλείο δοκιμάστηκε σε μια μελέτη περίπτωσης με ικανοποιητικά αποτελέσματα, υποστηρίζοντας τη μελλοντική πρακτική εφαρμογή της.
