Improving satellite precipitation estimates over complex terrain through the use of high-resolution numerical weather predictions

Abstract

Precipitation consists a governing parameter in a wide spectrum of human- related aspects. Either its lack or excess can pose major consequences and threaten both human lives and infrastructures. The uncertainty in its accurate monitoring and forecasting has tremendous implications in agriculture, transport, water resource management and green energy production.The main focus of precipitation uncertainty lies upon heavy precipitation events (HPEs) and flash-floods. Both of these events develop over small spatiotemporal scales, an attribute that renders their identification and predictability to particularly challenging tasks. This becomes especially evident over high mountainous terrain and complex terrain areas, where scant availability of in-situ observations is the default. The serious threat these phenomena pose for human lives along with corresponding damages that have repeatedly risen to billion dollar estimates, urge towards a better analysis and more thorough understanding of their nature, that will eventually lead to a more accurate monitoring and forecasting.Given that each individual source of information comes associated with its own list of strengths and limitations, a synergetic approach is often dictated. Satellite rainfall estimates are particularly useful in this context, due to their global coverage and near real-time availability. Observations from rain gauge networks and weather radar scans are usually assigned with the role of ground truth where available. Numerical weather predictions (NWP) have gradually become the epicenter of early warning systems, with recent advances in computational science partly curing the downsides of earlier ages. This improvement is partly attributed to the feasibility of atmospheric simulations at very fine grid scales, that deems important for capturing the initiation and evolution of flash-flood triggering storms. The advances in cloud microphysical schemes can additionally offer a valuable insight into the complex processes of these severe incidents.This thesis proposes a combination of the respective strengths of the individual datasets in order to improve precipitation estimates over mountainous areas. It provides evidence on the relative gain that can be expected from the adoption of very fine NWP model grids in HPE and flash-flood forecasting that stretch to sub-km scales. The relative impact of atmospheric model resolution on the hydrologic predictions is also examined. State-of-the-art NWP simulations are utilized towards the reduction of quantitative errors in satellite precipitation estimates and an insight on the nature of the detection limitations is provided. A novel adjustment technique is presented, where satellite rainfall estimates cater for the spatiotemporal evolution of each storm, whereas their rainfall magnitude is adjusted upon the NWP estimates through probability density function (PDF) matching. The study takes place in three mountainous areas of different characteristics, namely two mid-latitude (Italian Alps and US Rockies) and a sub-tropical (Ethiopian Blue Nile). A state-of-the-art NWP model (RAMS/ICLAMS), a hydrologic model (CREST) and a Lagrangian particle dispersion model (HYPACT) are deployed along with two hi-resolution satellite precipitation products with distinct retrieval characteristics. The evaluation is performed against dense gauge networks and radar rainfall estimates. A microphysical investigation is presented for occurrences of insufficient precipitation detection from the satellite instruments.Results showcase a significant improvement in NWP-adjusted satellite products compared to the raw estimates. The microphysical similarities amongst cases of insufficient satellite detection are identified and thoroughly discussed. The merit of this study lies upon probing the field for future blended rainfall products. The algorithm development of passive microwave satellite retrieval can be significantly benefited from the latter. Finally, the application of the method on a pseudo- operational basis during a historic flash flood, provides an estimate of the operational feasibility and potential benefit from its adoption in early warning and flash flood guidance systems.

Ο υετός αποτελεί θεμελιώδη παράμετρο για ένα ευρύτατο φάσμα ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Τόσο η έλλειψη όσο και οι υπερβολικές του ποσότητες προκαλούν σημαντικές συνέπειες και απειλούν ανθρώπινες ζωές και υποδομές. Η αβεβαιότητα που εξακολουθεί να υπάρχει στην πρόγνωση και επισκόπησή του, έχει σημαντικότατες προεκτάσεις στην γεωργία, τις μεταφορές, την αξιοποίηση υδάτινων πόρων καθώς και την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Σε ακραίες εκδοχές φαινομένων υετού, όπως οι πολύ ισχυρές καταιγίδες που συνοδεύονται από ηλεκτρικά φαινόμενα, η αβεβαιότητα αυτή καθίσταται ισχυρότερη. Αυτού του είδους οι καταιγίδες αναπτύσσονται σε πολύ μικρές χωρικές και χρονικές κλίμακες, χαρακτηριστικό το οποίο ανάγει την πρόγνωσή τους σε ιδιαίτερα απαιτητική διαδικασία.Η απαραίτητη πληροφορία είναι επί του παρόντος αδύνατον να προκύψει από μία και μόνο πηγή μέτρησης ή έμμεσης εκτίμησης του υετού, καθώς έκαστη συνοδεύεται από συγκεκριμένους περιορισμούς. Καθίστανται έτσι επιτακτική η ανάγκη προς μια συνδυαστική προσέγγιση. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή συνεισφέρει στη δημιουργία καλύτερων εκτιμήσεων υετού πάνω από περιοχές έντονου αναγλύφου, συνδυάζοντας αποτελεσματικά τα επιμέρους θετικά των διαθέσιμων πηγών πληροφορίας. Μετρήσεις από όργανα τηλεπισκόπησης (μετεωρολογικά ραντάρ και δορυφόροι), παρατηρήσεις από δίκτυα βροχομέτρων και ένα πλήθος αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης (ατμοσφαιρικό, υδρολογικό, μοντέλο διάχυσης σωματιδίων) επιστρατεύονται προς αυτό το σκοπό.Μια νέα τεχνική προσαρμογής δορυφορικών μετρήσεων αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Σε αυτή, τα δορυφορικά δεδομένα αξιοποιούνται ως προς την εκτίμηση της χωροχρονικής εξέλιξης των καταιγίδων, ενώ σε ότι αφορά την ποσότητα του υετού, οι εκτιμήσεις προσαρμόζονται στις αντίστοιχες του αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, η αξιόπιστη χωροχρονική επισκόπηση από τους δορυφόρους διατηρείται ενώ οι συχνά εσφαλμένες ποσότητες υετού των δορυφορικών οργάνων πάνω από ορεινές περιοχές διορθώνονται με τη χρήση των ατμοσφαιρικών προσομοιώσεων. Η διόρθωση των δορυφορικών δεδομένων λαμβάνει χώρα μέσω μιας μεθόδου πυκνότητας πιθανότητας. Η αξιολόγηση των πρωτογενών δορυφορικών δεδομένων, των αριθμητικών προσομοιώσεων και των τελικών υβριδικών προϊόντων γίνεται έναντι σε πυκνά δίκτυα βροχομέτρων και πεδία από διαθέσιμα μετεωρολογικά ραντάρ. Λαμβάνει δε χώρα σε τρεις ορεινές περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά: δύο μέσων γεωγραφικών πλατών (Άλπεις και Βραχώδη Όρη) και μια υποτροπική (Αιθιοπία).Οι προσομοιώσεις των αριθμητικών μοντέλων υποδεικνύουν τη φύση των περιορισμών στην ανίχνευση του υετού από τα δορυφορικά όργανα. Μια μικροφυσική διερεύνηση λαμβάνει χώρα και οι ομοιότητες που παρουσιάζουν οι εν λόγω καταιγίδες στις περιπτώσεις όπου η δορυφορική ανίχνευση εμφανίζει μεγάλες αποκλίσεις από τις παρατηρήσεις σχολιάζονται διεξοδικά. Παράλληλα, παρουσιάζεται μια εκτίμηση του οφέλους που μπορεί να προκύψει στο άμεσο μέλλον από την υιοθέτηση πολύ λεπτομερών χωρικών αναλύσεων στα αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης. Αποτελέσματα από προσομοιώσεις σε χωρικές κλίμακες μικρότερες του 1 χιλιομέτρου (σ.σ.: έως και 250 μέτρα) συγκρίνονται με αντίστοιχα από κλίμακες που αποτελούν τον τρέχοντα κανόνα στις μετεωρολογικές υπηρεσίες (1 και 4 χιλιόμετρα). Οι επιπτώσεις που προκαλούν αυτές οι διαφορές στην εκτίμηση του υετού από το ατμοσφαιρικό μοντέλο στην υδρολογία και συγκεκριμένα στην απορροή των υδάτων εξετάζονται μέσω αντίστοιχων προσομοιώσεων με υδρολογικό μοντέλο.Για τις ανάγκες της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν ένα εξελιγμένο ατμοσφαιρικό αριθμητικό μοντέλο (RAMS/ICLAMS), ένα υδρολογικό μοντέλο (CREST) καθώς κι ένα λανγκρανζιανό μοντέλο διασποράς-διάχυσης (HYPACT). Το πρώτο καθόρισε την υετίσιμη ποσότητα σε κάθε καταιγίδα και παρείχε την πληροφορία για περαιτέρω ανάλυση σε επίπεδο μικροφυσικής νεφών, το δεύτερο εκτίμησε τις απορροές που προέκυψαν από τις ατμοσφαιρικές προσομοιώσεις και το τρίτο χρησίμευσε στον καθορισμό της προέλευσης των υγρών αερίων μαζών πάνω από περιοχές όπου η βιβλιογραφία δεν ήταν ιδιαίτερα εκτεταμένη. Δυο δορυφορικά προϊόντα, που βασίζονται σε διαφορετικές τεχνικές ανίχνευσης και συγκεκριμένα από αισθητήρες υπέρυθρου (IR) και μικροκυμάτων (PMW) χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να υποδείξουν τους περιορισμούς που χαρακτηρίζουν την κάθε μέθοδο ανίχνευσης πάνω από περιοχές έντονου αναγλύφου. Αμφότερα είναι προϊόντα υψηλής χωρικής ανάλυσης (4 και 8 χιλιόμετρα αντίστοιχα).Τα αποτελέσματα εμφανίζουν οφέλη από τις λεπτομερείς χωρικές κλίμακες των προσομοιώσεων, τόσο στις ποσότητες του υετού, στη λεπτομερέστερη χωρική του κατανομή, όσο και την ακριβέστερη εκτίμηση της απορροής στη συνέχεια. Οι δορυφορικές μετρήσεις εμφανίζουν μια ξεκάθαρη τάση υποεκτίμησης του υετού πάνω από περιοχές έντονου αναγλύφου. Τα διορθωμένα δορυφορικά προϊόντα που προέκυψαν από την προτεινόμενη μέθοδο, υπερτερούν έναντι των πρωτογενών στη στατιστική ανάλυση και στις δύο περιοχές εφαρμογής. Σε επίπεδο μικροφυσικών ομοιοτήτων μεταξύ των περιπτώσεων ανεπαρκούς ανίχνευσης από τα δορυφορικά όργανα, παρατηρήθηκαν μικρές συγκεντρώσεις σωματιδίων πάγου και νεφικοί σχηματισμοί με περιορισμένη κατακόρυφη ανάπτυξη. Η διόρθωση των δορυφορικών παρατηρήσεων μέσω των αριθμητικών προσομοιώσεων εμφανίζεται ως μια αξιόπιστη εναλλακτική σε περιοχές όπου οι παρατηρήσεις δεν είναι επαρκείς προς εξυπηρέτηση αυτού του σκοπού.Η συνεισφορά της παρούσης διατριβής έγκειται αφενός στην προετοιμασία του εδάφους για μελλοντικά υβριδικά προϊόντα υετού, αφετέρου στην ανίχνευση των μικροφυσικών ομοιοτήτων που εμφανίζουν οι καταιγίδες οι οποίες δεν ανιχνεύονται ικανοποιητικά από τα δορυφορικά όργανα. Το τελευταίο μπορεί να καθορίσει σημαντικά την ανάπτυξη των σύγχρονων αλγορίθμων ανίχνευσης από τους παθητικούς αισθητήρες μικροκυμάτων. Τέλος, η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε ψευδο-επιχειρησιακή βάση κατά τη διάρκεια ενός ιστορικού πλυμμηρικού φαινομένου, παρέχει μια εκτίμηση της επιχειρησιακής εφαρμοσιμότητας και του συγκριτικού οφέλους που μπορεί να προκύψει από την υιοθέτηση της συγκεκριμένης μεθόδου σε συστήματα έγκαιρης πρόγνωσης και πρόληψης πλημμυρών.