Radary meteorologiczne w hydrologii Jan Szturc Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy Ośrodek Teledetekcji Naziemnej 8.10.2013
Plan O radarach meteorologicznych Zastosowania hydrologiczne I. Radarowa estymacja pola opadu z wysoką rozdzielczością Zastosowania hydrologiczne II. Nowcasting pola opadu Zastosowania hydrologiczne III. Poprawa jakości prognoz opadu z modeli numerycznych Podsumowanie
O radarach meteorologicznych
O radarach meteorologicznych W Europie pracuje ok. 200 radarów meteorologicznych 4
O radarach meteorologicznych W Polsce pracuje 8 radarów meteorologicznych 5
O radarach meteorologicznych Radary meteorologiczne wykonują pomiary teledetekcyjnie (zdalnie) antena obiekt sygn. wysłany sygn. odbity nadajnik odbiornik sterowanie radarem i przetwarzanie danych Mierzone wielkości: odbiciowość radarowa: Z (Z ~ D 6 ) [mm 6 m -3 ; dbz] natężenie opadu: R (ze wzoru: Z = ar b ) [mm h -1 ] prędkość wiatru (jeśli radar dopplerowski): V [m s -1 ] 6
O radarach meteorologicznych Dane radarowe: wolumy produkty 7
O radarach meteorologicznych Radary o podwójnej polaryzacji wiązki 8
O radarach meteorologicznych Radary LAWR Radar chmurowy (pionowy) Radar fazowany (local area weather radar) (phassed array) 9
Przyszłość teledetekcji pola opadu Radary satelitarne Zalety: - wszystkie zalety pomiarów MV, - brak większości błędów radarów naziemnych. Ograniczenia: - niska rozdzielczość czasowa (z powodu niskiej orbity polarnej), - brak możliwości stosowania na satelitach geostacjonarnych Działa operacyjnie: - TRMM, USA/Japonia, od 1997 r., do 45 szerokości geogr. W planach: - GPM (Global Precipitation Measurement), USA/Japonia, od lutego 2014 r. 10
Zastosowania hydrologiczne I. Radarowa estymacja pola opadu z wysoką rozdzielczością
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Techniki pomiarowe pola opadu Technika pomiarowa Sposób pomiaru Rozdzielcz. czasowa Rozdz. przestrz. Główne ograniczenia Sieć deszczomierzy Sieć radarów meteorologicznych Bezpośredni, dane interpolowane przestrzennie Teledetekcyjny, mikrofalowy Pomiar ciągły Pomiar punktowy 10 min Ok. 1-2 km Brak informacji z miejsc poza deszczomierzami Liczne błędy wynikające z geometrii pomiaru, propagacji wiązki i ech niemeteorologicznych Geostacjonarny satelita meteorol. Meteosat (drugiej generacji) Teledetekcyjny, VIS i IR 15 min (tryb rapid scan: 5 min) Ok. 5-6 km Pomiar pośredni, z górnych warstw chmur Jaki jest opad prawdziwy? 12
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Najważniejsze błędy w pomiarach radarowych 13
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Mapa zbiorcza (surowa) sieci POLRAD + sąsiedzi 14
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Kanał odbiciowości Odbiciowość radarowa Z (dbz); parametry DP Metadane Systemy korekt danych radarowych W Polsce wdrażany jest RadVol-QC (Ośródka et al., 2012) uwzględniający obecnie: - eliminację sygnałów z zewnętrznych anten, - eliminację ech niemeteorologicznych, - eliminację szumów pomiarowych, - korektę blokowania wiązki, - korektę tłumienia. Polaryzacja pojedyncza SPIKE NMET SPECK Polaryzacja podwójna DP.NMET QI_SYS QI_BROAD QI_SPIKE QI_NMET QI_DP.NMET QI_SPECK BLOCK QI_BLOCK ATT DP.ATT QI_ATT Skorygowana odbiciowość Z (dbz) Całkowity wskaźnik jakości QI 15
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Radarowa estymacja pola opadu na powierzchnię gruntu - najprościej: gotowy produkt SRI (surface rainfall intensity) 16
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Porównanie radar deszczomierze - sumy godzinne, radar Ramża, wrzesień 2008 17
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Czy dane deszczomierzowe są wiarygodne? 20 G2 (mm h -1 ) 5 G2 (mm h -1 ) 15 10 r 2 = 0,3766 r 2 = 0,3766 5 G1 (mm h -1 ) 0 0 5 10 15 20 G1 (mm h -1 ) 0 0 5 250160270 15 G2 (mm h -1 ) 5 G2 (mm h -1 ) 4 10 r 2 = 0,8887 3 r 2 = 0,8887 2 5 1 250170330 G1 (mm h -1 ) 0 0 5 10 15 G1 (mm h -1 ) 0 0 1 2 3 4 5 18
Zastosowania I. Estymacja pola opadu Estymacja pola opadu na powierzchnie gruntu - kombinacja - schemat uwzględniający pola jakości (QI) poszczególnych pól opadu (realizowany obecnie w IMGW przez Ośrodek Teledetekcji Naziemnej, Ośrodek Teledetekcji Satelitarnej i Zakład Badań Regionalnych O/Wrocław) R (radary) G (deszczom.) S (satelita) Downscaling S Kombinacja G + R = GR Kombinacja G + S = GS Kombinacja GR + GS = GRS GRS Opad prawdziwy =? 19
Zastosowania hydrologiczne II. Nowcasting pola opadu
Zastosowania II. Nowcasting pola opadu Nowcasting - prognoza z bardzo krótkim czasem wyprzedzenia 2 4 godz. Podstawa - ekstrapolacja bieżącej sytuacji na bliską przyszłość wyznaczając wektor (pole wektorów) adwekcji obrazu radarowego 21
Zastosowania II. Nowcasting pola opadu Miejsce nowcastingu w hydrologii Prognoza inercyjna Ekstrapolacja NWP NWP + ekstrapolacja Zakres stosowania 22
Zastosowania II. Nowcasting pola opadu Model nowcastingu opadów SCENE (Storm Cell Evolution and Nowcasting) opracowany i wdrażany w Polsce w ramach systemu nowcastingu meteorologicznego INCA (Jurczyk et al., 2012) Analiza pola opadu INCA-PL Źródła danych: - radar meteor. - satelita met. - systemu det. wył. atmosfer. - numeryczny model meteor. Analiza konwekcji Detekcja konwekcji Nowcasting Ekstrapolacja Statistyki Weryfikacja Rozpoznawanie struktur opad. Ekstrapolacja obiektowa Wyzn. komórek konwekcyjnych Ewolucja komórek Dane z radaru meteor. Nowcasting opadu 23
Zastosowania II. Nowcasting pola opadu Przykład nowcastingu modelu SCENE (prognoza ekstrapolacyjna) -północna część Polski, 22 maja 2013 r., prognoza z 11:10 na 11:40 UTC (czas wyprzedzenia: 30 min) Obraz z 11:10 Prognoza na 11:40 Obraz z 11:40 24
Radar reflectivity Z Zastosowania II. Nowcasting pola opadu Uwzględnienie ewolucji pola opadu, w szczególności komórek konwekcyjnych - przykład modelu życia indywidualnej komórki konwekcyjnej w modelu SCENE Z max t - t max Z (t max ) - Z (t ) Z Z 0 t Z bg t 0 t max t max + 4 t diss Time t 25
Zastosowania hydrologiczne III. Poprawa jakości prognoz opadu z modeli numerycznych
Zastosowania III. Poprawa jakości prognoz NWP Meteorologiczne modele numeryczne w Polsce: - rozdzielczość przestrzenna: ok. 14; 5,6; 2,8 km - rozdzielczość czasowa: 1 godz. - uruchamiane co 12 godz. (o godz. 00 i 12 UTC) W Polsce działają operacyjnie modele: - COSMO (IMGW) - ALADIN (IMGW) - ICM (Uniw. Warszawski) 27
Zastosowania III. Poprawa jakości prognoz NWP Dane radarowe pomagają wyznaczyć warunki początkowe stanu atmosfery. Metody asymilacji: - nudging w praktyce korekta danymi radarowymi wilgoci estymowanej modelem stosując wzory empiryczne, - metody filtracyjne (np. filtr Kalmana) prognozy jako wstępne przybliżenie, pomiary służą do korekty (wymaga znajomości struktury błędów danych), - wariacyjne minimalizacja funkcji kosztu opisującej różnice pomiędzy prognozą a pomiarami. 28
Zastosowania III. Poprawa jakości prognoz NWP Wpływ asymilacji danych radarowych do modeli meteorologicznych - przykład (prognoza 1-godz. sumy opadu, model COSMO) Model Model z asymilacją Pomiar (radar) 29
Podsumowanie
Podsumowanie Gdzie jesteśmy? Zastosowanie operacyjne W Polsce? Na świecie? Przydatność (subiektywnie!) Estymacja pola opadu Nowcasting opadu Zaawansowany model w trakcie opracowywania Zaawansowany model w trakcie wdrażania Na ogół tak ** Na ogół tak *** Asymilacja do modeli meteorologicznych Nie Trwają zaawansowane prace *** 31
Dziękuję za uwagę! Jan Szturc Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy 01-673 Warszawa, ul. Podleśna 61 tel. (32) 35-71-128 fax (32) 35-71-127 jan.szturc@imgw.pl www.imgw.pl www.pogodynka.pl