Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 00, () pp. 9 00, () s. 9 Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych teledetekcyjnych i modeli numerycznych Investigation of the wind field for sea areas based on remote sensing and numerical models data Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński Wojskowa Akademia Techniczna, Katedra Teledetekcji i Geoinformatyki 00-90 Warszawa, ul. S. Kaliskiego, tel. 0 99, e-mail: spietrek@wat.edu.pl, janusz.jasinski@wat.edu.pl Wojskowa Akademia Techniczna, Katedra Geodezji ul. S. Kaliskiego, 00-90 Warszawa, tel. 0 Słowa kluczowe: model mezoskalowy, teledetekcja, radar meteorologiczny Abstrakt W pracy przedstawiono wyniki badań pola wiatru nad obszarem morskim o ograniczonej sieci pomiarów bezpośrednich. Prędkość, kierunek i pionowy profil wiatru są danymi wejściowymi modeli falowania wiatrowego powierzchni morza. Ich źródłem są pomiary wykonane za pomocą radarów meteorologicznych z kanałem dopplerowskim oraz systemów akustycznych. Prognozy pola wiatru przedstawiono w postaci horyzontalnych i pionowych przekrojów atmosfery uzyskanych na podstawie danych modelu UMPL oraz COAMPS. Key words: mesoscale model, remote sensing, meteorological radar Abstract The paper presents results of investigation concerning wind field over sea in the case of a limited network of direct meteorological measurements. Wind speed, direction and vertical profile are input data for numerical models of sea waves. The data are derived from measurement results made by means of meteorological radars with Doppler channel and acoustic systems. Wind field forecasts are presented as horizontal and vertical cross-section of the atmosphere obtained with the use of data from UMPL and COAMPS mesoscale models. Wstęp W procesie zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi znaczącą rolę odgrywa zabezpieczenie meteorologiczne i hydrologiczne, którego głównym elementem są prognozy pogody, w tym prognozy falowania wiatrowego powierzchni morza. Klasyczne metodyki prognozowania bazujące na opisie pola wiatru charakterystycznego dla danej sytuacji synoptycznej zastąpione zostały numerycznymi modelami generacji i rozprzestrzeniania się fal. Modele wymagają wprowadzenia danych o polu wiatru (kierunek i prędkość wiatru) w punktach będących węzłami ich siatki obliczeniowej. Rutynowym źródłem tych danych są wyniki pomiarów bezpośrednich wykonywanych na statkach i bojach pomiarowych, które niestety stanowią ograniczoną sieć pomiarową []. Sprawdzalność prognoz falowania wiatrowego wzrasta, jeśli wykorzystuje się pełniejszy zbiór danych o stanie atmosfery i prognozowanych zmianach, którymi są wyniki teledetekcyjnego badania atmosfery oraz produkty numerycznych modeli prognoz pogody. Wtedy modele falowania zasilane są danymi wejściowymi zarówno w postaci horyzontalnych rozkładów pola wiatru, jak i w postaci pionowych profili wiatru. Teledetekcyjne badanie pola wiatru Teledetekcyjne metody wyznaczania parametrów pola wiatru bazują głównie na wyznaczeniu Zeszyty Naukowe () 9
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości emitowanego impulsu (fali elektromagnetycznej lub akustycznej) powodowanego ruchem cząsteczek chmurowych lub niejednorodności atmosfery. Oznacza to, że istota pomiaru wiatru sprowadza się do wyznaczenia częstotliwości echosygnałów rozproszonych wstecznie, które są rejestrowane przez odbiornik systemu pomiarowego []. Dopplerowskie przesunięcie częstotliwości f echosygnału względem częstotliwości emitowanego impulsu jest proporcjonalne do składowej promieniowej prędkości wiatru v r, tzn. składowej prędkości wiatru wzdłuż osi wiązki wyemitowanej fali, zgodnie z zależnością: vr f = f o () c gdzie: f o jest częstotliwością emitowanego impulsu, c prędkością propagacji emitowanej fali. Wyznaczenie wektora prędkości wiatru na płaszczyźnie horyzontalnej v h wymaga wykonania serii pomiarów składowej promieniowej prędkości v r przy różnych kątach elewacji osi wiązki antenowej θ. Algorytm obliczeniowy składa się z następujących kroków: wyznaczenie składowej pionowej prędkości v z : vr v z = () θ wyznaczenie składowych horyzontalnych wektora prędkości u i v: u = v r sinθ + v cosθ () z v = v r cosθ v sinθ () wyznaczenie prędkości horyzontalnej v h i kierunku wektora prędkości φ określanego względem kierunku północnego: z częstotliwości echosygnału względem częstotliwości wyemitowanego sygnału jest miarą prędkości cząstek rozpraszających falę elektromagnetyczną. Polski system radarów meteorologicznych POLRAD tworzy radarów typu METEOR produkcji niemieckiej firmy Gematronik. Dwa z nich, zainstalowane w Świdwinie i Gdańsku-Rębiechowie, swoim zasięgiem pomiarowym obejmują znaczny obszar Bałtyku Południowego. Radar emituje impulsowo wiązkę fali elektromagnetycznej o częstotliwości 0 MHz, której charakterystyka kierunkowa w przekroju pionowym i poziomym ma szerokość około, czyli jest tzw. wiązką szpilkową. Jeśli częstotliwość wyemitowanego impulsu wynosi f o = GHz, to zmiana częstotliwości odebranego echosygnału spowodowana zjawiskiem Dopplera wynosi kilkaset herców (np. f = 00 Hz). Z porównania podanych wartości ( f / f o 0 ) wynika, że trzeba wykryć zmianę pewnej wielkości o wartość stanowiącą jej jedną dziesięciomilionową część. Wymaga to dużej stabilności częstotliwości i konieczności posiadania (pamiętania) wzorca częstotliwości. Produkty wiatrowe systemu informatycznego RAINBOW Dane radarowe uzyskane w wyniku skanowania atmosfery wokół radaru przetwarzane są przez system informatyczny RAINBOW []. Produkty wiatrowe tego systemu dostarczane są do użytkowników w postaci graficznych zobrazowań pola wiatru na wybranych wysokościach (rys. ), horyzontalnego gradientu wiatru na tych wysokościach, pionowego gradientu wiatru w wybranych warstwach atmosfery oraz pionowego profilu prędkości i kierunku wiatru w strefie bliskiej radaru (rys. ). v h = v + u () ( u v) ϕ = arc tg () Na podstawie wyznaczonego kąta φ można podać meteorologiczny kierunek wiatru, tzn. kierunek skąd wieje wiatr [, ]. Badanie pola wiatru za pomocą radaru meteorologicznego Współczesny radar meteorologiczny wyposażony w kanał dopplerowski pozwala na badanie nie tylko obszarów występowania chmur, ale także pola wiatru. Rejestrowana przez radar zmiana Rys.. Horyzontalny rozkład prędkości i kierunku wiatru wyznaczony przez radar meteorologiczny w Świdwinie [] Fig.. Horizontal schedule of wind speed and direction determined by the meteorological radar in Świdwin [] 0 Scientific Journals ()
Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych teledetekcyjnych i modeli numerycznych to, że dla zazwyczaj stosowanych w sodarach częstotliwości od khz do khz uzyskuje się możliwość sondowania atmosfery do wysokości około km. To znaczne ograniczenie zasięgu pomiarów klasycznych sodarów spowodowało, że konstruktorzy podjęli się opracowania systemów pomiarowych wykorzystujących fale akustyczne i elektromagnetyczne. W ofercie fińskiej firmy Vaisala, światowego lidera wśród producentów meteorologicznych systemów pomiarowych, znajduje się cała rodzina urządzeń do sondowania atmosfery (Wind Profiler). Jeden z zestawów o symbolu LAP-000 przeznaczony jest do wykonywania pomiarów w warunkach morskich (rys. ). Rys.. Pionowy profil prędkości i kierunku wiatru wyznaczony przez radar meteorologiczny w Świdwinie [] Fig.. Vertical profile of wind speed and direction determined by the meteorological radar in Świdwin [] Scenariusz sesji pomiarowych radaru przewiduje skanowanie atmosfery co 0 minut. Dane radarowe z systemu POLRAD są operacyjnie wykorzystywane w ośrodkach zajmujących się bezpośrednim zabezpieczeniem meteorologicznym, m.in. lotnictwa i żeglugi. Akustyczne systemy badania pola wiatru Silne efekty oddziaływania fal akustycznych z atmosferą wykorzystano do konstrukcji systemów pomiarowych zwanych sodarami (for sonic detection and ranging). Istota metod akustycznego badania atmosfery sprowadza się do kierunkowej emisji sygnału (impulsu) dźwiękowego do atmosfery i odbioru sygnału rozproszonego na niejednorodnościach atmosferycznych, które powstają w wyniku fluktuacji temperatury i ruchu powietrza. Analiza echosygnałów sodarowych pozwala na jakościowe i ilościowe badania struktury wiatrowej i termicznej sondowanej atmosfery. Spośród metod akustycznych stosowanych w badaniach pola wiatru w dolnej atmosferze najefektywniejszą okazała się metoda wykorzystująca efekt dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości sygnału odbitego od niejednorodności atmosferycznych powodowanych występującym wiatrem []. Propagacja dźwięku w rzeczywistej atmosferze charakteryzuje się silną zależnością pomiędzy częstotliwością dźwięku a jego tłumieniem. Oznacza Rys.. Zestaw pomiarowy LAP-000 firmy Vaisala zainstalowany na morskiej platformie wydobywczej [] Fig.. Measuring set LAP-000 made by Vaisala, installed on an oil rig [] Zestaw pomiarowy pracuje jako układ monostatyczny, tzn. antena nadawcza i odbiorcza znajdują się w tym samym miejscu. Antena emituje w kilku kierunkach impulsy o częstotliwości 90 MHz. Sonduje się atmosferę do wysokości km. Uzyskiwana dokładność pomiaru prędkości wiatru wynosi poniżej m/s, a jego kierunek wyznacza się z dokładnością poniżej 0º. Zestaw pomiarowy wyposażony jest w system radioakustyczny RASS (Radio Acoustic Sounding System), który dostarcza danych o temperaturze powietrza do wysokości, km z dokładnością około ºC. Numeryczne prognozy pola wiatru Atmosfera ziemska jest tak skomplikowanym układem dynamicznym, że nie jest możliwe dokładne (analityczne) rozwiązanie równań, które opisują jej zachowanie (nieliniowe cząstkowe równania różniczkowe). Można jednak uzyskać rozwiązania przybliżone, jeśli zastosuje się metody numeryczne. W modelach numerycznych pola parametrów meteorologicznych opisywane są przez skończoną Zeszyty Naukowe ()
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński liczbę punktów. Obliczenia wykonywane są w punktach nazywanych węzłami siatki. Odległość w poziomie pomiędzy sąsiednimi węzłami definiuje poziomą rozdzielczość modelu. Aby można było prawidłowo przewidzieć pogodę, należy przeprowadzić obliczenia nie tylko dla powierzchni ziemi, ale również dla wyższych poziomów atmosfery. Na to, co się dzieje przy powierzchni ziemi, duży wpływ mają procesy zachodzące w najniższej części atmosfery nazywanej warstwą graniczną (w zależności od warunków meteorologicznych warstwa ta może mieć zasięg od kilkuset metrów do kilku kilometrów). Ilość poziomów i ich rozkład w pionie definiują pionową rozdzielczość modelu. Wszystkie modele charakteryzują się określoną rozdzielczością. Najlepsza jest rozdzielczość jak największa. Zwiększenie rozdzielczości oznacza zmniejszenie kroku siatki, a to prowadzi do wzrostu liczby punktów, w których należy przeprowadzić obliczenia. Mezoskalowe prognozy pola wiatru W Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego obliczane są numeryczne prognozy pogody dla obszaru Europy Środkowej z wykorzystaniem modelu UMPL (Unified Model for Poland Area). Niezbędne do obliczeń dane obserwacyjne oraz boczne warunki brzegowe otrzymywane są z centrum w Bracknell (Anglia). Dla modelu mezoskalowego zlokalizowanego nad Polską siatka obliczeniowa ma rozmiar na punktów odległych od siebie o 0,º (ok. km). Pionowa rozdzielczość modelu pozwala na obliczenia dla poziomów. Dane obserwacyjne podlegają kontroli jakości obserwacji. Kontrola odbywa się w trakcie wstępnego przetwarzania. Włączenie sprawdzonych i wiarygodnych danych do modelu odbywa się porzez proces asymilacji. Problemy asymilacji danych w modelu mezoskalowym dotyczą odpowiedniego zrównoważenia sprzecznych żądań zgodności nowych obserwacji ze stanem atmosfery opisywanym przez model oraz konieczności wykorzystania informacji o zaburzeniach małej skali, które w przypadku procesów szybko zmieniających się mogą znacznie różnić się od tła pamiętanego przez model. Autorzy wykonali moduł mezoskalowych prognoz pogody, który na podstawie produktów modelu UMPL generuje niestandardowe mapy i pionowe przekroje atmosfery wykorzystywane przy opracowywaniu specjalizowanych prognoz pogody. Na rysunku przedstawiono prognozę pola wiatru przyziemnego otrzymaną na podstawie produktów modelu UMPL. Izotachy wykreślone są co m/s, kierunek naniesionych wektorów odpowiada kierunkowi wiatru, a ich długość prędkości wiatru. 0 - - - - - - - - - - 0 Rys.. Prognoza pola wiatru przyziemnego na podstawie danych modelu UMPL Fig.. Forecast of the ground wind field based on the UMPL model s data Na rysunku przedstawiono pionowy profil prognozowanej prędkości wiatru do wysokości km wzdłuż trasy Gdańsk (G) Gdynia (Gd) Lębork (L) Darłowo (D) Rønne (R) na wyspie Bornholm. [m] 000 900 00 00 00 00 00 00 00 00 000 900 00 00 00 00 00 00 00 00 R.... 9 0... D L Gd G. 0 0 0 00 0 00 0 9. 0. 0.. 0.. Rys.. Pionowy profil prognozowanej prędkości wiatru [m/s] wzdłuż trasy Gdańsk (G) Gdynia (Gd) Lębork (L) Darłowo (D) Rønne (R) na Bornholmie Fig.. Vertical profile of the forecast wind speed [m/s] along the route Gdańsk (G) Gdynia (Gd) Lębork (L) Darłowo (D) Rønne on Bornholm 9. 9... 0.... [km] [km].. 0. 0 9. 9........ 0. 0. 0 Scientific Journals ()
Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych teledetekcyjnych i modeli numerycznych Mezoskalowy niehydrostatyczny model prognozy COAMPS Mezoskalowy niehydrostatyczny sprzężony model oceanu i atmosfery COAMPS (Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System) został zbudowany i jest rozwijany przez Laboratoria Badawcze Marynarki Wojennej USA (Naval Reseach Laboratory). Model COAMPS funkcjonuje w oparciu o moduły parametryzujące wiele istotnych zjawisk fizycznych przebiegających w warstwie granicznej atmosfery. Obszar obliczeniowy modelu może być przedstawiony w różnych odwzorowaniach kartograficznych. Model ten wykorzystuje technikę siatek wbudowanych, tzn. modele oparte na siatkach o mniejszym kroku przestrzennym otrzymują wartości brzegowe i parametry stanu z siatek nadrzędnych o większej skali. Na tym samym poziomie zagnieżdżania można określić kilka siatek odpowiadających różnym obszarom prognozy. Obecnie system COAMPS używa pól warunków brzegowych i pól inicjalizacyjnych (pierwszego przybliżenia) z modelu globalnego Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS). Do kontroli jakości danych obserwacyjnych i analizy stanu atmosfery i oceanu wykorzystuje on -wymiarową, optymalną interpolację wielu zmiennych (MVOI). Rys.. Prognoza pola prędkości wiatru przyziemnego [m/s] otrzymana z modelu COAMPS Fig.. Forecast of the ground wind speed [m/s] obtained from the model COAMPS Model COAMPS liczony jest w Centrum Geomatyki Stosowanej na Wydziale Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT. Prowadzone przez autorów prace zmierzają do uzyskiwania produktów modelu przydatnych w zabezpieczeniu hydrometeorologicznym różnych rodzajów wojsk []. Prowadzone są także badania z zakresu analizy pól refrakcji atmosferycznej. Na rysunku przedstawiono otrzymaną z modelu COAMPS prognozę pola prędkości wiatru przyziemnego. Wnioski Wzrost bezpieczeństwa żeglugi nierozłącznie związany jest z rozwojem metod stosowanych w zabezpieczeniu hydrometeorologicznym obszarów morskich. Obserwowane kierunki rozwoju tych metod sprowadzają się do pozyskiwania większej ilości danych o rzeczywistym stanie atmosfery oraz opracowania modeli numerycznych pozwalających na obiektywne przetwarzanie danych pomiarowych i prognozowanie zmian warunków atmosferycznych. Budowa gęstej i regularnej sieci bezpośrednich pomiarów hydrometeorologicznych dla obszarów morskich wymaga instalowania automatycznych stacji pomiarowych na bojach, platformach wydobywczych i badawczych, statkach oraz na lądzie wzdłuż linii brzegowej. Od kilku lat z pokładów samolotów przelatujących nad oceanami wyrzucane są sondy pomiarowe, które wyniki pomiarów wykonanych w czasie ich opadania przekazują do stacji naziemnych. Położenie sondy określane jest na podstawie danych systemu GPS. Źródłem wiarygodnych danych o stanie atmosfery są pomiary wykonane przez radary meteorologiczne i systemy radioakustyczne. Atrakcyjność metod teledetekcyjnych wynika z możliwości pozyskiwania danych z dużą częstością ze stosunkowo dużego obszaru. Systemy pomiarowe praktycznie nie wymagają bieżącego nadzoru przez operatorów, co pozwala na ich lokalizację w miejscach, które spełniają kryteria otrzymywania reprezentatywnych danych. Dysponowanie danymi pomiarowymi z coraz gęstszej sieci pozwala na uruchamianie modeli numerycznych liczących prognozy z kilkugodzinnym krokiem czasowym dla coraz dłuższych przedziałów czasu. Zdaniem autorów modele mezoskalowe dają rzeczywistą możliwość opracowywania specjalistycznych prognoz zmian warunków atmosferycznych dla nawet niewielkich obszarów. Dalsze prace z modelem COAMPS będą zmierzały do zmniejszania kroku siatki obliczeniowej do wartości km i otrzymywania prognoz z jednogodzinnym krokiem czasowym. Zeszyty Naukowe ()
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński Przy obserwowanym wzroście mocy obliczeniowych komputerów należy oczekiwać, że w niedługim czasie modele typu COAMPS będzie można liczyć na komputerach klasy PC, co pozwoli zainteresowanym użytkownikom na bezpośrednie opracowywanie i korzystanie z prognoz numerycznych. Bibliografia. PIETREK S.: Wykorzystanie wyników akustycznego sondowania atmosfery do prognozy falowania wiatrowego. Materiały IX Konferencji Naukowo-Technicznej Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu, Gdynia 99, cz., 9 0.. COLLIER CH.G.: Applications of weather radar systems. Praxis Publishing, Chichester 99.. JASIŃSKI J., PIETREK S.: Remote Sensing of Wind in Troposphere by Means of Meteorological Doppler Radar. P. J. Envir. Stud., 00,, B,.. MOSZKOWICZ S., TUSZYŃSKA I.: Meteorologia radarowa Podręcznik użytkownika informacji radarowej IMGW. Wydanie internetowe Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej www.imgw.pl, Warszawa 00.. JASIŃSKI J., PIETREK S.: Measurement Results Analysis of Vertical Wind Profiles Obtained by Means of Meteorological Doppler Radar. P. J. Envir. Stud., 00,, B,.. www.imgw.pl. www.vaisala.com. FIGURSKI M., KROSZCZYŃSKI K., WINNICKI I.: Meteorological Models Role in Support. P. J. Envir. Stud., 00,, B,. Recenzent: prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski Akademia Morska w Szczecinie Scientific Journals ()