Άμεσες Προγνώσεις (Nowcasting) Καταιγίδων - Συστήματα - Εφαρμογές - Προοπτικές

Abstract

Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία στοχεύει στη μελέτη του σύνθετου αντικειμένου της μετεωρολογικής πρόγνωσης υπο την άμεση (nowcast) μορφή της, εξετάζοντας τις τεχνικές, τις εφαρμογές και τα συστήματα που την υλοποιούν και εντάσσοντας την επιπρόσθετη συνιστώσα της μελλοντικής κατεύθυνσης των ανωτέρω ζητημάτων. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη ανασκόπηση της μετεωρολογικής πρόγνωσης από την αρχαιότητα έως σήμερα, αναλύεται η εννοια της άμεσης και βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης, επισημαίνονται οι κύριες χρήσεις της καθώς και ορισμένα βασικά εργαλεία προς επίτευξη του σκοπού αυτού. Τα επόμενα δυο κεφάλαια αποτελούν τον θεωρητικό πυρήνα της παρούσας εργασίας. Αναπτύσσεται το φυσικό υπόβαθρο των μετεωρολογικών διεργασιών της ατμόσφαιρας, με έμφαση στις καταιγίδες. Το τεχνικό κομμάτι αφορά την περιγραφή των μεθοδολογιών που εφαρμόζονται από τα σύγχρονα συστήματα μετεωρολογικής πρόγνωσης. Διερευνάται η νέα προσέγγιση των αναλόγων (analogues) και τίθενται επι τάπητος ζητήματα διαφορετικής ερμηνείας του νέου όρου των ευρετικών (heuristic) συστημάτων από την επιστημονική κοινότητα. Έπειτα, εξετάζονται εφαρμογές της σύγχρονης μετεωρολογικής πρόγνωσης. Αναφέρονται τρόποι επαλήθευσης (verification), περιγράφονται βασικά γνωρίσματα προϊόντων nowcasting και διερευνάται ένα προϊόν χαμηλότερου κόστους χωρίς τη χρήση ραντάρ, ένας τομέας που δεν είναι ιδιαίτερα ανεπτυγμένος έως σήμερα. Αναπτύσσονται τομείς ενεργής έρευνας, όπως τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, η χρήση περιβάλλοντος προσομοιώσεων (test beds) και οι εφαρμογές του Παγκοσμίου Προγράμματος Μετεωρολογικής Έρευνας (WWRP) του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού (WMO). Τα Ερευνητικά Προγράμματα του WMO αποτελούν σημεία αναφοράς της μετεωρολογικής επιστημονικής κοινότητας διότι με τη χρήση των δεδομένων που διαθέτουν μπορούν να εφαρμόσουν άμεσα καινοτομία. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συστήματα άμεσης και βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης με αφετηρία τα πρώτα αυτοματοποιημένα συστήματα επιχειρησιακής μορφής. Η επιλογή τους είχε ως γνώμονα την σκιαγράφηση της κυρίαρχης επικρατούσας τάσης σε ανεπτυγμένες χώρες, ενώ είναι σαφές ότι δεν εκφράζεται το σύνολο των υφιστάμενων συστημάτων παγκοσμίως. Ακολούθως, μελετάται η επίδοση μέρους των άνω συστημάτων σε συνεργατικές μελέτες περίπτωσης που καλούνται Μελέτες Επίδειξης (Forecast Demonstration Projects – FDP’s) του Παγκόσμιου Προγράμματος Μετεωρολογικής Έρευνας (WWRP). Στην επόμενη θεματική ενότητα διερευνώνται οι τεχνολογικές εξελίξεις και το πώς μπορούν να κατευθύνουν μελλοντικά την άμεση και βραχυπρόθεσμη μετεωρολογική πρόγνωση. Εξετάζονται ενδελεχώς οι μεταβολές στην μετάδοση των πληροφοριών από τις μετεωρολογικές υπηρεσίες, τα μέσα μαζικής ενημέρωσης, το διαδίκτυο και τα ατομικά μέσα πληροφόρησης. Αναλύεται το νέο, σύγχρονο πρότυπο αλληλεπίδρασης που αναμένεται να διαμορφωθεί καθώς η κοινωνία θα ανταποκρίνεται στην αφομοίωση νέων μεθόδων και μεγάλου πλήθους παρατηρήσεων. Προσεγγίζεται επίσης η έλλειψη της κοινωνιολογικής συνιστώσας ως ένα σημαντικό μειονέκτημα. Η εργασία ολοκληρώνεται με μια σύνοψη των κυριότερων συμπερασμάτων και τη διατύπωση ορισμένων προτάσεων στην κατεύθυνση της μελλοντικής πρόγνωσης και σε σημαντικά σημεία εστίασης. Καθοριστική είναι η συμβολή στα παραπάνω των τοποθετήσεων πλήθους επιστημόνων nowcasting του παγκοσμίου στερεώματος.

This master thesis aims to study the complex subject of weather forecasting under its direct (nowcast) form, examining the techniques, the applications and the systems used for effective implementation. The component of the future direction of the above issues has been added as well. The starting point is a brief overview of the weather forecasting history since antiquity, the concepts of nowcasting and short-term forecasting are analyzed, highlighting main uses and some essential tools to achieve this aim. The next two chapters constitute the theoretical core of this work. The natural background of meteorological processes of the atmosphere is developed, with emphasis on the storms. The technical part regards the description of the methodologies applied by modern weather forecasting systems. The new approach of analogues is being explored and the issue of different interpretation of the new term of heuristics (heuristic) systems by the scientific community is being also discussed. Onwards, applications of modern weather forecasting are examined. Ways of verification are mentioned, basic features of nowcasting products are outlined and a lower-cost product without the use of radar is investigated; it is an area that is not highly developed till today. Active research fields, such as artificial neural networks, the use of test beds and some applications of the World Weather Research Programme (WWRP) of the World Meteorological Organization (WMO), are also explicated. The Projects of WMO are benchmarks of the meteorological scientific community because innovation can be immediately implemented by using the available data. The following are systems of nowcasting and short-term forecasting starting from the first automated systems of operational form. Their selection was dependent by the delineation of the dominant current trend in developed countries, while it is clear that all existing systems worldwide are not expressed. Next, the performance of these systems in WWRP established collaborative case studies called Forecast Demonstration Projects (FDP's) is studied. In the next thematic area some technological developments and how they can guide the future nowcasting and short-term weather forecasting are investigated. Changes in the broadcasting of information by the meteorological services, mass media, the internet and personal media of information are scrutinized. The new, modern standard of interaction which is expected to be formed as society responds to adoption of new methods and a large number of observations is analyzed. The lack of the sociological component is also approached as a significant disadvantage. This work concludes summarizing the main conclusions and some proposals for the future direction of forecasting and pointing out substantially focus points. Towards the above perspectives a decisive contribution of a number of nowcasting scientists of a global context has been made.