Ανάπτυξη αυτοματοποιημένου συστήματος μικρής διάρκειας πρόγνωσης των μέσης κλίμακας καταιγιδοφόρων συστημάτων με τη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat

Abstract

The aim of this study is the development and implementation οf a fully automated system for the detection tracking and very short range forecasting of Mesoscale Convective Systems (MCS) having the potential for heavy precipitation in the Mediterranean basin using data from the Meteosat Second Generation (MSG) satellites. For the needs of this study an automatic algorithm of tracking clouds with cold tops on MSG infrared images and determining objectively their parameters was developed. For each trajectory identified by the tracking algorithm a set of temporal and structural properties is computed related to the cloud dynamics cloud geometry cloud position and movement. A three-year climatology of isolated warm season MCSs was build for the Mediterranean basin using Meteosat Second Generation (MSG) infrared imagery and an objective identification and tracking algorithm. A dataset of 4718 MCS trajectories was constructed for the warm season of the period 2005-2007 which in turn was split into two subsets (deep and weak convective) according to the intensity of convection using a discriminant parameter in the MCS properties. Several parameters related to geographical temporal spectral morphological and motion related properties were calculated for each MCS. The first step for the development of the short-range forecasting system was the construction of conceptual models of the evolution of the MCS life-cycle based on the three-year climatology of the MCS established for the warm period of the year over the Mediterranean. Then a forecasting procedure was devised by combining a linear extrapolation method of the MCSs life cycle history and information extracted from the conceptual models. The possibility of using Numerical Weather Prediction (NWP) model forecasts for the wind field in the lower and upper troposphere to improve the forecasting skill of the system was also investigated. As a final output the system generates forecasts of the time evolution of several physical characteristics of the MCS - as such area extent displacement and spectral features - through its whole life cycle generating a virtual image updated every 15min. A first validation of the system efficiency carried out for a number of cases showed promising results in using the developed system as a tool for the short-range forecasting of MCS evolution.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πλήρως αυτοματοποιημένου συστήματος εντοπισμού παρακολούθησης και μικρής διάρκειας πρόγνωσης των καταιγιδοφόρων νεφικών συστημάτων μέσης κλίμακας (ΜΚΣ) ικανών να προκαλέσουν ισχυρές βροχοπτώσεις στην περιοχή της Μεσογείου βασισμένο στη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat. Αρχικά αναπτύχθηκε αλγόριθμος για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση της εξέλιξης των ΜΚΣ στη Μεσόγειο με τη χρήση δορυφορικών εικόνων Meteosat δεύτερης γενιάς. Για κάθε ΜΚΣ που εντοπίζεται από τον αλγόριθμο υπολογίζεται ένας αριθμός χρονικών και δομικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με το δυναμικό, το σχήμα, τη θέση και την κίνηση του συστήματος. Ο αλγόριθμος εφαρμόστηκε σε δορυφορικές εικόνες της θερμής περιόδου τριών ετών (2005-2007) για την περιοχή της Μεσογείου παράγοντας την κλιματολογία των ΜΚΣ για την περιοχή αυτή. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων με τα χαρακτηριστικά 4718 ΜΚΣ που εντοπίστηκαν από τον αλγόριθμο η οποία χωρίστηκε σε δύο υποσύνολα ανάλογα με την έκταση της κατακόρυφης ανάπτυξης των συστημάτων. Η κλιματική βάση αποτελείται από τις τιμές των παραμέτρων που σχετίζονται με τα γεωγραφικά, τα γεωμετρικά και τα φασματικά χαρακτηριστικά των ΜΚΣ. Επίσης από τη βάση αυτή δημιουργήθηκαν μοντέλα που περιγράφουν τη μέση εξέλιξη των χαρακτηριστικών των ΜΚΣ. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε αυτόματο σύστημα μικρής διάρκειας πρόγνωσης της εξέλιξης των ΜΚΣ το οποίο βασίζεται στην παρακολούθηση της τρέχουσας εξέλιξης των ΜΚΣ και στην προέκταση της για τις επόμενες λίγες ώρες στο μέλλον χρησιμοποιώντας κάθε φορά στοιχεία από την τρέχουσα εξέλιξη του ΜΚΣ και από το μοντέλο της μέσης εξέλιξης των χαρακτηριστικών των ΜΚΣ. Στο προγνωστικό σύστημα παρέχεται ακόμη η δυνατότητα συνδυασμού του με αριθμητικά προγνωστικά μοντέλα καιρού για τη βελτίωση των εκτιμήσεων. Το σύστημα παράγει μικρής διάρκειας προγνώσεις (2 ως 3 ώρες) για βασικά χαρακτηριστικά ενός ΜΚΣ (έκταση, ταχύτητα και διεύθυνση κίνησης μέση και ελάχιστη θερμοκρασία κ.α.) οι οποίες ανανεώνονται ανά 15. Τέλος, το σύστημα αξιολογήθηκε ως προς την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία του και κρίθηκε ικανοποιητικό ως προς την εκτίμηση των τιμών βασικών παραμέτρων που σχετίζονται τόσο με το δυναμικό όσο και με τη θέση και την κίνηση του συστήματος.