5D102 RIMADIMA an INTERREG III B CADSES NP project part-financed by the European Union Streszczenie System MeteoGIS służy do monitorowania warunków atmosferycznych oraz do generowania ostrzeżeń dostosowanych do konkretnych wymagań poszczególnych użytkowników, a także do przeprowadzania analiz aktualnych i historycznych zjawisk pogodowych. System monitoruje następujące wielkości meteorologiczne: natężenie opadu, sumy opadu, typ opadu, prędkość i kierunek wiatru oraz wyładowania atmosferyczne. Rozdzielczość przestrzenna danych wynosi 1 km, natomiast czasowa zależna jest od rozdzielczości, z jaką poszczególne dane są generowane najczęściej dostępne są dane radarowe: co 10 minut. Użytkownikami systemu nie są meteorolodzy czy hydrolodzy, lecz np. pracownicy administracji rządowej (Wydziały Zarządzania Kryzysowego). 1. System MeteoGIS Rys. 1. Widok ogólny aplikacji użytkownika systemu MeteoGIS: menedżer systemu (w prawym dolnym rogu) oraz dwa okna wizualizacji (powyżej). System MeteoGIS, oparty na technikach GIS-u, jest systemem przeznaczonym do monitoringu bieżącej sytuacji pogodowej oraz do generowania ostrzeżeń meteorologicznych dostosowanych do potrzeb użytkownika systemu, oraz do analiz bieżących jak i przeszłych sytuacji meteorologicznych (rys. 1). Dzięki zasilaniu systemu w trybie operacyjnym danymi meteorologicznymi (z radarów meteorologicznych, naziemnych stacji meteorologicznych, modelu numerycznego i systemu detekcji wyładowań burzowych) możliwe jest wcześniejsze
dokonywanie oceny zagrożeń wynikających z niebezpiecznych zjawisk atmosferycznych, takich jak gwałtowny wiatr, burze, wyładowania atmosferyczne, ulewne opady oraz powstające w ich wyniku duże wezbrania. System jest przeznaczony dla państwowych lub samorządowych władz i służb lokalnych, które są zainteresowane otrzymywaniem ostrzeżeń o niebezpiecznych zjawiskach meteorologicznych. Stacja robocza MeteoGIS_input (przetwarzanie danych) Serwery systemów pomiarowych IMGW Serwer hostingowy IMGW (gromadzenie danych) IMGW FTP administrator użytkownik 1 Serwer MeteoGIS_server (baza danych) Użytkownik końcowy... użytkownik 2 użytkownik 3 Rys. 2. Ogólny schemat systemu MeteoGIS System został wykonany w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) dla Śląskiego Urzędu Wojewódzkiego w Katowicach, (Wydział Zarządzania Kryzysowego). Główna aplikacja pracuje w architekturze client-server. System jest zasilany danymi meteorologicznymi przetworzonymi przez aplikację MeteoGIS_Input stanowiącą integralny moduł systemu. Następnie dane są pobierane przez użytkownika za pomocą protokołu FTP według ustalonego harmonogramu, bądź w trybie natychmiastowym (rys. 2). 2. Dane Aplikacja MeteoGIS_Input zainstalowana w IMGW służy do generowania danych dla systemu MeteoGIS. Źródło danych stanowią systemy pomiarowe oraz przetwarzające dane meteorologiczne działające w IMGW: sieć radarów meteorologicznych POLRAD, system NIMROD przeznaczony do przetwarzania danych radarowych i generowania krótkoterminowych prognoz opadu, system detekcji wyładowań atmosferycznych PERUN, model numeryczny COSMO-LM, telemetryczna sieć deszczomierzy. Wszystkie dane są przetwarzane do formatu wewnętrznego MeteoGIS oraz wspólnej projekcji geograficznej oraz przycięte do odpowiedniej domeny. Po pobraniu ich z serwera hostingowego IMGW przez użytkownika systemu, dane zapisywane są do dedykowanej SQLowej bazy danych.
System MeteoGIS umożliwia użytkownikowi wizualizację danych, oraz ich przetwarzanie w środowisku GIS za pomocą wielofunkcyjnego, przyjaznego dla użytkownika oprogramowania. System integruje różne rodzaje danych meteorologicznych, w tym pomiary i prognozy. 2.1. Natężenie opadu Dane opadowe dostarczane do systemu pochodzą przede wszystkim z sieci radarów meteorologicznych POLRAD, składającej się z ośmiu radarów Gematronik produkcji niemieckiej (Szturc, Dziewit, 2005). Dane te są przetwarzane przez system NIMROD (Golding, 1998), który koryguje dane radarowych w oparciu o dane pochodzące z innych źródeł pomiarowych (deszczomierze, stacje meteorologiczne, dane satelitarne Meteosat, model numeryczny) oraz dokonuje adjustacji tych danych w oparciu o dane deszczomierzowe. Przetworzone w ten sposób dane radarowe (już w postaci mapy zbiorczej) są generowane co 10 minut z rozdzielczością przestrzenną wynoszącą 1 km (rys. 3). Rys. 3. Przykład pola opadu w systemie MeteoGIS (22 kwietnia 2008 r., godz. 7 UTC). Prognozowane natężenia opadu, generowane również przez system NIMROD, stanowią kombinację prognoz ekstrapolacyjnych wykonywanych w oparciu o dane radarowe (tzw. nowcasting) z prognozami dostarczanymi przez model numeryczny COSMO-LM działający w IMGW. Kombinacja ta dokonywana jest przy użyciu odpowiedniej funkcji wagowej zależnej od czasu wyprzedzenia prognoz. Prognozy są generowane co 30 minut z rozdzielczością czasową 15 minut, z czasem wyprzedzenia do 6 godzin. Ich rozdzielczość przestrzenna wynosi 4 km, zatem są one przeskalowywane do rozdzielczości 1 km, gdyż z taką dane meteorologiczne są wizualizowane w systemie. Przeskalowywanie (downscaling) odbywa się stosując metodę dynamiczną (Jurczyk et al., 2008) (zob. przykład na rys. 4). Dane opadowe odgrywają zasadniczą rolę w osłonie przeciwpowodziowej, zatem w przypadkach, gdyby dane radarowe nie są dostępne, stosuje się interpolowane przestrzennie dane z sieci deszczomierzy.
a) b) c) Rys. 4. Przykład przeskalowania danych opadowych: a) dane radarowe o rozdzielczości 16 km, b) te same dane przeskalowane do rozdzielczości 1 km, c) rzeczywiste dane radarowe, będące punktem wyjścia do mapy 16 km (29 sierpnia 2006 r., godz. 6 UTC) (źródło: Jurczyk et al., 2008). 2.2. Suma opadu Sumy opadu są generowane z odpowiedniej liczby map natężeń opadu uwzględniając interpolację czasową i przestrzenną pola opadu (Jurczyk et al., 2008) (zob. rys. 5). Użytkownik systemu MeteoGIS może zdefiniować dowolny przedział czasu dla sumowania opadu (na przykład 1 godzina, 6 godzin itd.). 2.3. Typ opadu Rys. 5. Przykład 1-godzinnej sumy opadu wygenerowanej bez (po lewej) i z uwzględnieniem (po prawej) interpolacji czasowo-przestrzennej pola opadu (źródło: Jurczyk et al., 2008). Informacje o typie opadu, również prognozy, są generowane przez system NIMROD co godzinę z rozdzielczością przestrzenną 8 km (rys. 6). W MeteoGIS rozróżniane są następujące typy opadu: mżawka, marznąca mżawka, deszcz, marznący deszcz, deszcz ze śniegiem, śnieg, grad i duży grad. Typ opadu można wyświetlać wykorzystując standardowe symbole synoptyczne, albo w postaci mapy obszarowej, podobnie jak pole opadu.
Rys. 6. Przykład pola typu opadu (3 kwietnia 2008 r., godz. 15 UTC) 2.4. Wiatr Pole wiatru jest dostarczane do systemu MeteoGIS przez radary meteorologiczne w postaci produktu H-WIND (Moszkowicz, Tuszyńska, 2003). Produkt ten jest generowany co 10 minut z rozdzielczością przestrzenną 12 km. Pole wiatru jest mierzone na wysokości 2 km, jest zatem przeliczane do wysokości 10 m (na tej wysokości standardowo wykonywane są pomiary wiatromierzowe). Prognozy pola wiatru są dostarczane przez model numeryczny co godzinę z rozdzielczością przestrzenną 14 km. Prędkość i kierunek wiatru można wyświetlać zarówno w postaci symboli (strzałek o odpowiednim zwrocie oraz kolorze zależnym od prędkości) (rys. 7) lub w postaci pól przestrzennych (prędkości lub kierunku). Rys. 7. Przykład pola wiatru. Kolor strzałek oznacza prędkość wiatru (21 kwietnia 2008 r., godz. 1:10 UTC). 2.5. Wyładowania atmosferyczne Wyładowania atmosferyczne są lokalizowane przez system PERUN. System składa się z 9 detektorów firmy Vaisala rozmieszczonych w różnych częściach Polski (Bodzak, 2007). Wyładowania są wyświetlane za pomocą wprowadzonych symboli (kolor czerwony oznacza wyładowania doziemne, a kolor żółty wyładowania wewnątrzchmurowe) (rys. 8), lub w postaci pól przestrzennych.
Rys. 8. Przykład wizualizacji wyładowań atmosferycznych (21 czerwca 2007, godz. 14:30 UTC). 3. Wizualizacja Wszystkie opisane powyżej pola meteorologiczne są wyświetlane w oknie wizualizacji (rys. 9) korzystając z możliwości technik GIS. Jednocześnie można korzystać z dowolnej liczby okien wizualizacji, w których można wyświetlać dowolnie wybrane pola meteorologiczne traktowane jako warstwy GIS. Ponadto można wykorzystać jako podkłady dowolne mapy geograficzne lub inne zapisane w standardowym formacie shape (SHP) lub TIFF. Ustawienia i konfiguracje wszystkich otwartych okien wizualizacji można zapisywać jako przestrzeń roboczą, która można odtworzyć w późniejszym czasie. Legenda Pole wizualizacji Wybór daty, czasu i produktu Pasek zmiany daty Rys. 9. Przykład okna wizualizacji systemu MeteoGIS. System MeteoGIS jest systemem wszechstronnym obok standardowych możliwości funkcjonalnych znanych z programów GIS, takich jak na przykład szeroka konfigurowalność skali i legendy, sposobu wyświetlania (wygląd obiektów, etykiet), dostępnych jest wiele innych możliwości, jak automatyczne odświeżanie wyświetlanych pól meteorologicznych w miarę
pobierania i wczytywania nowych danych, animacja wybranej sekwencji danych, oraz podstawowe lub bardziej zaawansowane analizy statystyczne danych (opisane w części 5). Rys. 10. Przykład wyświetlenia równocześnie większej liczby pól meteorologicznych w jednym oknie wizualizacji: natężenie opadu, typ opadu i wyładowania atmosferyczne (15 kwietnia 2008 r., godz. 18 UTC). 4. Ostrzeżenia meteorologiczne Generowanie ostrzeżeń meteorologicznych jest jednym z najważniejszych zadań systemu MeteoGIS. Ostrzeżenia te zawierają aktualną informację na temat groźnych zjawisk atmosferycznych, które występują obecnie, jak i szacuje się, że wystąpią w ciągu najbliższych kilku godzin. System automatycznie generuje ostrzeżenia, dostosowane do potrzeb danego użytkownika, w sytuacjach gdy wartość wybranego pola meteorologicznego przekroczy na określonym obszarze ustaloną wartość progową (rys. 11). Rys. 11. Okno konfiguracji ostrzeżeń meteorologicznych.
Zastosowano dwa rodzaje ostrzeżeń: dla całej domeny systemu, oraz związane z wybranym obszarem (którym może być zlewnia, gmina, lub inny obiekt wybrany z dostępnych podkładów GIS). Ostrzeżenia są generowane wówczas, gdy ustalona wartość progowa danego parametru meteorologicznego została przekroczona (w pomiarach jak i prognozach), które są aktualnie pobierane przez system. Wygenerowanie ostrzeżenia jest sygnalizowane czerwonym kolorem w oknie sygnalizacji ostrzeżeń meteorologicznych w oknie menedżera systemu (rys. 16). a) b) Rys. 12. Przykłady ostrzeżeń meteorologicznych. Ostrzeżenia są generowane w systemie MeteoGIS w postaci komunikatu tekstowego, który można wysłać np. e-mailem. Teksty ostrzeżeń można wyświetlać jako zestaw wszystkich ostrzeżeń wygenerowanych w danym terminie, zarówno dla danych mierzonych jak i prognozowanych, bądź oddzielnie dla każdego czasu wyprzedzenia prognoz. Przykłady treści komunikatów zawartych w ostrzeżeniach przedstawiono na rys. 12. 5. Analizy sytuacji pogodowej System MeteoGIS zawiera zestaw narzędzi służących do analiz sytuacji pogodowej, stanowiący skuteczną pomoc przy podejmowaniu decyzji związanych z zarządzaniem kryzysowym. Dostępne są następujące możliwości: dołączanie dowolnych nowych podkładów GIS (np. powiaty, zlewnie), automatyczne uaktualnianie pól meteorologicznych po odebraniu nowych danych, animacja (również automatycznie uaktualniana), prezentacja danych meteorologicznych w postaci tabelarycznej, generowanie statystyk pól meteorologicznych (wartości średnie, liczebność w poszczególnych klasach wartości, także dla wybranych obiektów warstw GIS podkładów), generowanie wykresów czasowych wartości pól meteorologicznych dla wybranego piksela (rys. 13),
Rys. 13. Przykład wykresu czasowego dla wybranego pola meteorologicznego. generowanie zestawienia z wartościami wczytanych warstw GIS (pól meteorologicznych i podkładów) dla wybranego piksela (rys. 14). Rys. 14. Tabela z wartościami pól meteorologicznych i warstw GIS. Istnieje możliwość przeprowadzania analiz statystycznych, w szczególności poprzez zapytania SQL-owe. Zakładając, że użytkownik systemu nie zna składni takich zapytań, zaprojektowano proste w obsłudze edytory, umożliwiające konstruowanie w intuicyjny sposób nawet złożonych zapytań SQL-owych. Trzy dołączone do systemu edytory ułatwiają tworzenie zapytań prostych i relacyjnych, a także bardzie złożonych za pomocą gotowych szablonów (rys. 15). a)
b) Rys. 15. Narzędzia do tworzenia zapytań SQL-owych: a) edytor zapytań prostych; b) okno z formularzami do generowania złożonych zapytań za pomocą poprzednio zdefiniowanych szablonów. 6. Zarządzanie systemem i danymi Za zarządzanie systemem MeteoGIS oraz danymi systemu odpowiedzialny jest menedżer systemu (rys. 16). W panelu komunikatów wyświetlane są komunikaty informujące o pobieranych danych, działaniu uruchomionych harmonogramów oraz o wygenerowaniu ewentualnych ostrzeżeń meteorologicznych. Konfiguracja wszystkich ustawień systemu odbywa się za pomocą menu głównego menedżera. 6.1. Główne funkcje menedżera systemu Panel sygnalizacji ostrzeżeń meteorologicznych Panel sygnalizacji błędów systemu Panel komunikatów Rys. 16. Menedżer systemu MeteoGIS. Główne zadania menedżera systemu MeteoGIS, które kontroluje administrator systemu, są następujące: ustawianie parametrów systemu (jak np. parametry transmisji danych z IMGW do użytkownika), zarządzanie kontami użytkowników systemu, zarządzanie przestrzeniami roboczymi, konfigurowanie parametrów harmonogramów do: pobierania danych, sumowania opadu oraz archiwizacji danych, zarządzanie bazą danych,
zarządzanie warstwami GIS (podkładami), konfigurowanie ostrzeżeń meteorologicznych. 6.2. Harmonogramy Harmonogramy sterują cyklicznie wykonywanymi zadaniami, które definiuje użytkownik. Dla danego zadania można uruchomić jednocześnie kilka różnych harmonogramów (z wyjątkiem pobieraniem danych), np. co godzinę mogą być generowane sumy godzinne opadu, a raz na dobę dobowe. Harmonogramy dotyczą czterech rodzajów zadań. Pobieranie danych ustalenie częstotliwości pobierania danych z serwera hostingowego IMGW. Zarządzanie danymi, które mają być generowane i zasilać bazę danych systemu, odbywa się za pomocą odpowiedniego pliku konfiguracyjnego. Plik ten, wygenerowany w menedżerze systemu, zostaje automatycznie wysłany na serwer hostingowy IMGW, gdzie steruje aplikacją przygotowującą dane wejściowe; Generowanie sum opadu ustalenie częstotliwości generowania sum opadu o dowolnym okresie sumowania (np. 1 godzina, 3 godziny) z danych opadowych na bieżąco zasilających bazę. Określając długość okresu sumowania należy zdefiniować również zestaw parametrów ustalających sposób sumowania w przypadkach, gdy dane nie są kompletne; Archiwizacja danych baza danych systemu podzielona jest logicznie na dwie części, identyczne pod względem struktury: aktualną, archiwalną. W pierwszej znajdują się dane aktualne, czyli na bieżąco wprowadzane do bazy. Zawartość tej części bazy jest dynamiczna: uaktualniana wraz z napływem nowych danych, gdy jednocześnie najstarsze dane są usuwane. W części archiwalnej umieszczane są dane, które zostały celowo zarchiwizowane przez użytkownika zawartość tej części bazy zależy wyłącznie od decyzji użytkownika. Harmonogram archiwizacji ustala, z jaką częstotliwością i jakie dane mają być kopiowane do archiwalnej części bazy danych. Zadanie generowania ostrzeżeń, jako najważniejsze w działaniu systemu, zostało szczegółowo opisane w rozdz. 4. Wszystkie opisane powyżej zadania można również wykonywać jednorazowo na polecenie użytkownika, bez uruchamiania harmonogramów. 7. Informacje dodatkowe 7.1. Wymogi sprzętowe systemu MeteoGIS Systemu MeteoGIS ma następujące wymagania sprzętowe: Serwer komputer pracujący pod systemem operacyjnym MS Windows SBS 2003 Premium Edition, wyposażonym w SQL-owa bazę danych. Stacje robocze aplikacja może być instalowana na dowolnej liczbie stacji roboczych. Nie wymaga sprzętu o parametrach przekraczających standardowe komputery osobiste i może pracować pod dowolną wersją systemów operacyjnych Windows. Zalecana jest jednak wersja Windows XP lub nowsze ze względu na szybkość pracy. FTP niezbędny jest stały dostęp do łącza internetowego celem pobierania danych. 7.2. Moduły systemu MeteoGIS System MeteoGIS składa się z czterech podstawowych modułów: MeteoGIS aplikacja przeznaczona dla użytkowników, zainstalowana na dowolnej liczbie stacji roboczych. MeteoGIS_input usługa Windows działająca w IMGW, przygotowująca dane dla aplikacji głównej.
MeteoGIS_server usługa Windows działająca na serwerze MeteoGIS, której zadaniem jest realizacja harmonogramów zdefiniowanych w systemie, w szczególności pobieranie danych z IMWG i zapisywanie ich do bazy danych. SQL-owa baza danych MeteoGIS stanowiąca integralną część systemu. Podziękowania System MeteoGIS powstał w latach 2005-2007 w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej (w Ośrodku Teledetekcji Naziemnej) na zamówienie Śląskiego Urzędu Wojewódzkiego w Katowicach (Wydziału Zarządzania Kryzysowego) przy dofinansowaniu przez Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach. Literatura Bodzak P., 2007: Detekcja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych, IMGW, Warszawa 2007. Golding B.W., 1998: NIMROD: A system for generating automated very short range forecasts, Meteor. Appl., 6, 1-16. Jurczyk A., Ośródka K., Szturc J., 2008: Research studies on improvement in real-time estimation of radar-based precipitation in Poland, Meteorol. Atmos. Phys. (w druku). Moszkowicz S., Tuszyńska I., 2003: Meteorologia radarowa, IMGW, Warszawa 2003. Szturc J., Dziewit Z., 2005: Status and perspectives on using radar data: Poland, [w:] Use of radar observations in hydrological and NWP models, COST Action 717. Final report, Luxembourg 2005, 218-221. Kontakt Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Ośrodek Teledetekcji Naziemnej ul. Podleśna 61, 01-673 Warszawa jan.szturc@imgw.pl