System wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych PERUN

Transkrypt

1 Wojciech Gajda System wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych PERUN System detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych PERUN/SAFIR (z frenc. Surveillance et d Alerte Foundre par Interferometrie Radioelectriqe) przy pomocy interferometrii w paśmie bardzo wysokich częstotliwości VHF, wykrywa i lokalizuje wyładowania atmosferyczne. Do pomiaru parametrów elektrycznych oraz dyskryminacji pomiędzy typami wyładowań wykorzystuje się pomiar w niskich częstotliwościach fal elektromagnetycznych. System wykorzystuje głównie technikę znajdowania kierunku przybycia sygnału DF. System typu SAFIR (w IMGW cała sieć otrzymała nazwę PERUN) wykrywa wyładowania atmosferyczne wszystkich typów (międzychmurowe, doziemne z rozróżnieniem na dodatnie i ujemne) i lokalizuje je w układzie współrzędnych przestrzennych. Produkty systemu PERUN online Mapa lokalizacji wyładowań Lokalizacja jest podstawową informacją dostarczaną przez system PERUN. Dzielą się na dwie kategorie: IC (intra-cloud, chmurowe) i CG (cloud-to-ground, chmuraziemia). IC są definiowane głównie przez ich pozycję (długość i szerokość geograficzna) i czas wystąpienia (z dokładnością do 0.1 ms). CG są definiowane głównie przez ich pozycję, czas wystąpienia, i ich parametry elektryczne (czas narastania, czas zaniku, prąd w kanale,...). Lokalizacje grupowane są przez system PERUN w wyładowania. Tak więc wyładowania IC mogą składać się z jednej jako (wyświetlanej pojedyncza kropka) lub więcej lokalizacji (wyświetlanej linia Wyładowania IC jako łamana). CG 1

2 mogą składać się z jednego (uderzenie powrotne) lub kilku lokalizacji CG (kilka uderzeń powrotnych). Mapa śledzenia komórek burzowych: System oblicza w czasie rzeczywistym zarówno kontury komórek jak i ich rdzenie (obszary o największej intensywności w komórce). Kodowanie kolorami pozwala użytkownikowi na błyskawiczną identyfikację obszarów największej intensywności burzowej. Analizując wcześniejszy ruch komórki, obliczana i wyświetlana jest prędkość jej przemieszczania, co pozwala na przewidywanie jej ruchu. Mapa gęstości wyładowań System oblicza w czasie rzeczywistym liczbę wyładowań na kilometr kwadratowy i na minutę, podając dokładne informacje o intensywności burzy. Obliczenia mogą być adaptowane do potrzeb użytkownika lub do potrzeb specyficznych aplikacji, dzięki parametrom : 'calculation time' czas obliczania (ruchomy okres podczas którego sumowane są wyładowania, tj. czas integracji), 'refresh period' okres odświeżania (okres po którym wyświetlany obraz jest odświeżany) i wielkość siatki (wielkość pikseli gęstości). 2

3 Produkty off-line (dla potrzeb ekspertyz) Możliwość przetwarzania zgromadzonych danych za pomocą dedykowanego oprogramowania pozwala na dokładniejszą analizę zaistniałej w przeszłości sytuacji burzowej. Analiza taka jest bardzo przydatna np. w postępowaniach wyjaśniających towarzystw ubezpieczeniowych, czy też w postępowaniach sądowych. Mapa lokalizacji wyładowań za dany okres Produkt analogiczny z mapą lokalizacji w trybie online. Różnicą jest okres z którego mogą być dane. W zasadzie jest to dowolny okres czasu, np. dzień, tydzień, miesiąc, itp Przykład wizualizacji lokalizacji dla okresu godz. 9:00 16:00 UTC: Zastosowanie danych o wyładowaniach: Meteorologia; Lotnictwo; Pożarnictwo; Energetyka; Ubezpieczenia; 3

4 Irena Tuszyńska, Zdzisław Dziewit Sieć radarów meteorologicznych POLRAD Radar (Radio Detection And Ranging) znany jest od lat trzydziestych XX wieku i jest wynikiem podsumowania osiągnięć wielu lat badań w zakresie radiotechniki, fizyki, elektroniki i matematyki. Zbudowano go przede wszystkim do zastosowań militarnych. Już w pierwszym okresie stosowania radarów zauważono, że oprócz takich obiektów jak samoloty radar wykrywa niekiedy obiekty meteorologiczne, np. silne burze. Oczywiście obiekty te były w tym wypadku zakłóceniem, przeszkadzały w wykrywaniu samolotów. Zaczęto odebrać sygnał odbity w ten sposób, aby wyeliminować obiekty meteorologiczne i pozostawić militarne. Rozpoczęto badania różnic między odbiciami od różnego rodzaju obiektów w tym od chmur. Był to właśnie początek meteorologii radarowej. Konstrukcją radarów meteorologicznych zajmowano się w wielu krajach. Wytwarzano egzemplarze uwzględniające osiągnięcia techniki kolejnych dziesięcioleci. W Polsce pierwszy radar meteorologiczny zainstalowano w 1964r. w Legionowie. Był to angielski radar DECCA typ 41. Od 1976 rozpoczął w Ośrodku Aerologii IMGW w Legionowie pracę radziecki radar MRŁ-2 - klasyczny radar meteorologiczny zaprojektowany specjalnie do pomiaru charakterystyk obiektów meteorologicznych. W latach w Zakładzie Aerologii IMGW w Legionowie utworzono eksperymentalny zestaw komputerowego przetwarzania sygnału radaru meteorologicznego MRŁ-2 - Półautomatyczny Systemem Radarowy (PSR). W 1991 roku zastąpiono radar MRŁ-2 również radzieckim MRŁ-5. Nowy system zbudowany z wykorzystaniem tego radaru to Automatyczny Meteorologiczny System Radarowy (AMSR). Był on już w pełni zautomatyzowanym systemem zbierającym i przetwarzającym dane radarowe. Następnym etapem w rozwoju polskiej meteorologii była budowa sieci radarów meteorologicznych POLRAD. Kompletną sieć radarów 4

5 meteorologicznych oddano do pracy operacyjnej w 2004 roku. Daje ona możliwość obserwowania procesów zachodzących w atmosferze z bardzo dużą rozdzielczością czasową i przestrzenną. Pracujące w sieci radary dopplerowskie na bieżąco monitorują stan atmosfery. Poza określaniem obszarów objętych opadem, analizują zjawiska zachodzących w zlokalizowanych obiektach meteorologicznych, ich skalę i kierunek przemieszczania się struktur opadowych. Podstawowym parametrem pozyskiwanym z pomiaru radarowego, jest tzw. odbiciowość radarowa, przeliczana, między innymi na natężenie czy sumę opadu i wiele innych produktów. Odbity od obiektów meteorologicznych sygnał radarowy jest informacją od dużej liczby hydrometeorów, która zostaje w systemie przeliczona na wiele produktów: meteorologicznych, hydrologicznych, wiatrowych, groźnych zjawisk i prognostycznych. Z zebranej przez wszystkie radary informacji tworzona jest zbiorcza mapa radarowa. Produkty meteorologiczne (Meteorological Products) Prezentowane w ramach tej grupy produkty wyliczane są ze skanu klasycznego zoptymalizowanego ze względu na pomiar odbiciowości radarowej. Obrazują one różnorodne techniki, metody wyliczania i prezentacji stanów atmosfery wyrażonych, dla większości produktów, w jednostkach odbiciowości radarowej [dbz] dla określonych poziomów wysokości nad poziomem morza. Przykład produktu z grupy meteorologicznej PCAPPI (Pseudo Constant Altitude Plan Position Indicator) Przekrój na stałej wysokości Range - zasięg, do którego wyliczany jest produkt Resolution - rozdzielczość przestrzenna obrazu Height - wysokość warstwy CAPPI n.p.m. Alg Type - algorytm typu Pseudo- CAPPI CAPPI Range - zasięg CAPPI dla tego produktu Jest jednym z podstawowych produktów zobrazowania stanu atmosfery na ustalonej wysokości. Do jego wyliczenia uwzględniany jest cały obszar objęty skanem klasycznym. Dla prezentowanego przykładu każdy punkt prezentowany na mapie jest obrazem odbiciowości na wysokości 2 km n.p.m. z rozdzielczością 1x1km. Służy, jako produkt wyjściowy do wygenerowania wielu innych produktów radarowych. Informuje użytkownika o rozmieszczeniu obiektów opadowych w atmosferze oraz o intensywności zjawisk, jakie mogą im towarzyszyć. 5

6 Produkty hydrologiczne (Hydrological Products) W ramach tej grupy z zebranych danych, podczas skanowania klasycznego, zoptymalizowanego ze względu na pomiar odbiciowości radarowej, generowane są produkty, które obrazują odbiciowość radarową przeliczoną na opad wyrażony w mm (suma opadu) lub w mm przypadających na jednostkę czasu (natężenie opadu). Produkty wiatrowe (Wind Products) Do generowania produktów wiatrowych niezbędne jest posiadanie dobrej jakości danych o prędkości. W tym celu wykonywane jest oddzielne skanowanie przestrzeni (do 125 km od radaru) tzw. skan dopplerowski. Mierzona jest składowa radialna wiatru (ruchu cząstek opadowych). Z zebranych w trakcie pomiaru danych możliwe jest wygenerowanie różnego rodzaju map prezentujących rozkład prędkości wiatru w postaci tradycyjnych strzałek wiatru lub wykresów, uskoków wiatru w pionie i poziomie oraz ruchów turbulencyjnych w obiektach meteorologicznych. Produkty prognoz i groźnych zjawisk (Forecasting & Phenomena Detection Products) W ramach tej grupy produktów analizie poddawane są zarówno dane o odbiciowości jak i o składowej radialnej wektora prędkościwiatru. Wynikiem tego są produkty groźnych zjawisk typu opad i wiatr w maksymalnym zasięgu do 125 od radaru (ograniczenie wynikające ze skanu dopplerowskiego). Na szczególną uwagę zasługuje Wskaźnik Groźnych Zjawisk Meteorologicznych. Prawie wszystkie produkty dotyczące groźnych zjawisk mogą tworzyć z produktami meteorologicznymi, hydrologicznymi i wiatrowymi różne kombiacje. Produkty te w połączeniu np. z potencjalną wodnością, gradem, turbulencją oraz strefami uskoku pola wiatru mogą znacznie wzbogacić informację odnośnie genezy i tendencji rozwoju zjawisk meteorologicznych. Natomiast w połączeniu z produktami obrazującymi odbiciowość lub opad mogą być narzędziem analizy relacji pomiędzy ostrzeżeniem i aktualnym stanem parametrów meteorologicznych atmosfery. Zbiorcza mapa radarowa (Composite) Z zebranych przez wszystkie radary informacji tworzona jest radarowa mapa zbiorcza. Pokrywa ona praktycznie cały obszar Polski. W zależności od produktu wejściowego podaje ona wartości odbiciowości radarowej lub maksymalnej odbiciowości, opadu czy sumy opadów za ostatnią godzinę. Mapy zbiorcze są szczególnie przydatne dla każdego użytkownika, gdyż oprócz informacji o natężeniu zjawiska (opadu) w wybranym obszarze zainteresowania, mamy także podgląd na rozwój sytuacji meteorologicznej na całym obszarze Polski. 6

7 Zbiorcza mapa radarowa COMP_CAPPI (Composite Constant Altitude Plan Position Indicator) typu PCAPPI wygenerowana z pomiarów odbiciowości radarowej na określonej wysokości nad poziomem morza. Udostępnianie danych radarowych Wszystkie produkty i dane udostępniane są w: Systemie Obsługi Klienta (SOK). Dostęp do bazy jest możliwy poprzez: komutowane łącza telefoniczne, dzierżawione łącza telekomunikacyjne, publiczną sieć INTERNET za pomocą protokołów: FTP, HTTP, . Użytkownikami produktów radarowych mogą być: hydrologia i meteorologia, sztaby kryzysowe, lotnictwo, służby ratownictwa, zarządy dróg, budownictwo, media, ochrona środowiska, rolnictwo, itd Nowe technologie radarowe Nowe technologie radarowe dostępne już w dniu dzisiejszym to konstrukcje z wykorzystaniem: podwójnej polaryzacji, nieruchomych anten i radarów biostatycznych Anteny nieruchome to tzw. anteny fazowane. Dają między innymi skrócenie czasu przeglądu przestrzeni i obniżenie poziomu listków bocznych. Ich podstawową wadą jest bardzo wysoka cena na dzień dzisiejszy. Radary bistatyczne to takie konstrukcje, w których nadajnik i odbiornik są rozseparowane przestrzennie. Przy czym sygnał z jednego nadajnika może mierzyć kilka odbiorników na raz. Daje to przede wszystkim możliwość pomiaru wszystkich składowych wektorów wiatru (klasyczny radar dopplerowski mierzy tylko jedna składową wiatru). Ponadto taki układ konstrukcyjny daje pewna nadmiarowość informacji, co otwiera pole do budowania algorytmów redukujących różne błędy pomiarowe. Zaś nowymi technologiami aktualnie badanymi są: radary o szerokiej wiązce i mini - radary. 7

8 Paweł Rychlewski Systemu nowcastingowy NIMROD (polska wersja systemu angielskiego) NIMROD jest w pełni zautomatyzowanym, działającym operacyjnie systemem służącym do generowania diagnozy (bieżącego stanu pogody) i prognoz natychmiastowych (nowcasting) niektórych najważniejszych, parametrów meteorologicznych na powierzchni ziemi - w tym chwilowego natężenia opadu, sumy opadu, oraz typu opadu (tj. rozróżnienia deszczu, gradu, deszczu ze śniegiem, śniegu itd.). System został zaprojektowany tak, by spełnić w szczególności wymagania służb osłony przeciwpowodziowej. Dostarcza on informacje o dużej rozdzielczości (przestrzennej i czasowej) na temat szybko zmieniających się warunków meteorologicznych w najbliższym czasie. Podstawą metodyki prognozy natychmiastowej przyjętej w NIMROD-zie jest połączenie prognozy ekstrapolacyjnej opartej na obserwacji aktualnego stanu pogody (pomiary radarowe i satelitarne, dane ze stacji meteorologicznych oraz z posterunków deszczomierzowych), z wynikami uzyskanymi z mezoskalowego numerycznego modelu prognoz pogody NWP (Numerical Weather Prediction NWP). Połączenie to jest realizowane tak, że w optymalny sposób wykorzystuje się obydwa źródła danych. Poniżej niektóre z produktów tego systemu. Mapa zbiorcza natężenia opadu Mapa zbiorcza natężenia opadu zawiera informacje o natężeniu opadu otrzymane z pojedynczych radarów systemu POLRAD, po uprzednim usunięciu z nich fałszywych informacji o opadzie wynikających z porównania tych danych z danymi z innych źródeł takich jak: dane satelitarne, dane z deszczomierzy oraz danych ze stacji meteorologicznych. Należy podkreślić, iż produkt ten zawiera jedynie dane z polskiej sieci radarów meteorologicznych. Produkt ten zawiera 8

9 możliwie najdokładniejsze oszacowanie natężenia opadu rejestrowanego przed radary meteorologiczne, może więc być z powodzeniem stosowany jako wiarygodne źródło informacji o rzeczywistym natężeniu opadu. Kombinowana prognoza natężenia opadu Prognoza natężenia opadu (nazywana także prognozą natychmiastową natężenia opadu) generowana jest z rozdzielczością czasową 15 minut i czasem wyprzedzenia do 6 godzin.. Produkt ten jest połączeniem ekstrapolacyjnej prognozy natężenia opadu opartej na produkcie Końcowa diagnoza opadu oraz prognozowanym natężeniu opadu z mezoskalowego modelu numerycznego NMP (model DWD Local Modell [LM]). Analogicznie jak dla produktu Końcowa diagnoza opadu dane dostępne są dla całej domeny systemu NIMROD. Diagnoza i prognoza typu opadu Diagnoza i prognoza typu opadu z rozdzielczością czasową 1-godz., z czasem wyprzedzenia do 6 godzin. System NIMROD rozpoznaje dziesięć typów opadu: drobny grad, grad, duży grad, mżawka, marznąca mżawka, deszcz, deszcz ze śniegiem, marznący deszcz, śnieg i suchy śnieg. Informacja o typie opadu oraz prognozie typu opadu może być bardzo przydatna dla służb drogowych, które w szybkim czasie mogą skierować odpowiednie siły oraz sprzęt w rejony występowania opadu śniegu, marznącej mżawki bądź innych niebezpiecznych zjawisk opadowych. 9

10 Diagnoza i prognoza prawdopodobieństwa opadu śniegu Diagnoza i prognoza prawdopodobieństwa opadu śniegu z rozdzielczością czasową 1-godz., z czasem wyprzedzenia do 6 godzin. Informacja o prawdopodobieństwie opadu śniegu oraz prognozie prawdopodobieństwa opadu śniegu może być bardzo przydatna dla służb drogowych, które w szybkim czasie mogą skierować odpowiednie siły oraz sprzęt w rejony występowania opadu śniegu. Rozdzielczość produktów wynosi 4 km. Przykłady wykorzystania systemu NIMROD Sztaby kryzysowe: dzięki informacjom o prognozowanych intensywnych opadach, można skierować odpowiednie siły i środki w zagrożone rejony Firmy budowlane: Służby drogowe: dzięki prognozie typu opadu można skierować odpowiedni sprzęt w rejony występowania niebezpiecznych zjawisk jak na przykład: marznący deszcz, śnieg, grad. 10