Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych

Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych

Scientific Journals
Zeszyty Naukowe
Maritime University of Szczecin
Akademia Morska w Szczecinie
2008, 13(85) pp. 59‐64
2008, 13(85) s. 59‐64
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 Kroszczyński1
Wojskowa Akademia Techniczna, Katedra Teledetekcji i Geoinformatyki
00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, tel. 022 683 99 22,
e-mail: [email protected], [email protected]
1
Wojskowa Akademia Techniczna, Katedra Geodezji
ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa, tel. 022 683 76 77
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
wych, które niestety stanowią ograniczoną sieć
pomiarową [1].
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.
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 pomiaroZeszyty Naukowe 13(85)
Teledetekcyjne badanie pola wiatru
Teledetekcyjne metody wyznaczania parametrów pola wiatru bazują głównie na wyznaczeniu
59
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński
częstotliwości echosygnału względem częstotliwości wyemitowanego sygnału jest miarą prędkości
cząstek rozpraszających falę elektromagnetyczną.
Polski system radarów meteorologicznych
POLRAD tworzy 8 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 5650 MHz, której
charakterystyka kierunkowa w przekroju pionowym i poziomym ma szerokość około 1°, czyli jest
tzw. wiązką szpilkową.
Jeśli częstotliwość wyemitowanego impulsu
wynosi fo = 5 GHz, to zmiana częstotliwości odebranego echosygnału spowodowana zjawiskiem
Dopplera wynosi kilkaset herców (np. ∆f = 500 Hz).
Z porównania podanych wartości (∆f / fo ≈ 10–7)
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.
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 [2].
Dopplerowskie przesunięcie częstotliwości ∆f
echosygnału względem częstotliwości emitowanego impulsu jest proporcjonalne do składowej promieniowej prędkości wiatru vr, tzn. składowej
prędkości wiatru wzdłuż osi wiązki wyemitowanej
fali, zgodnie z zależnością:
∆f =
2v r
fo
c
(1)
gdzie:
fo – jest częstotliwością emitowanego impulsu,
c – prędkością propagacji emitowanej fali.
Wyznaczenie wektora prędkości wiatru na
płaszczyźnie horyzontalnej vh wymaga wykonania
serii pomiarów składowej promieniowej prędkości
vr przy różnych kątach elewacji osi wiązki antenowej θ. Algorytm obliczeniowy składa się z następujących kroków:
– wyznaczenie składowej pionowej prędkości vz:
vz =
∂vr
∂θ
– wyznaczenie składowych
wektora prędkości u i v:
Produkty wiatrowe systemu informatycznego
RAINBOW
Dane radarowe uzyskane w wyniku skanowania
atmosfery wokół radaru przetwarzane są przez system informatyczny RAINBOW [5]. Produkty wiatrowe tego systemu dostarczane są do użytkowników w postaci graficznych zobrazowań pola wiatru
na wybranych wysokościach (rys. 1), 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. 2).
(2)
horyzontalnych
u = vr sin θ + vz cosθ
(3)
v = vr cosθ − vz sin θ
(4)
– wyznaczenie prędkości horyzontalnej vh i kierunku wektora prędkości φ określanego względem
kierunku północnego:
vh = v 2 + u 2
(5)
ϕ = arc tg(u v )
(6)
Na podstawie wyznaczonego kąta φ można podać meteorologiczny kierunek wiatru, tzn. kierunek
skąd wieje wiatr [3, 4].
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. 1. Horyzontalny rozkład prędkości i kierunku wiatru
wyznaczony przez radar meteorologiczny w Świdwinie [6]
Fig. 1. Horizontal schedule of wind speed and direction determined by the meteorological radar in Świdwin [6]
60
Scientific Journals 13(85)
Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych teledetekcyjnych i modeli numerycznych
to, że dla zazwyczaj stosowanych w sodarach częstotliwości od 1 kHz do 2 kHz uzyskuje się możliwość sondowania atmosfery do wysokości około
1 ÷ 2 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-3000 przeznaczony jest do wykonywania pomiarów w warunkach morskich (rys. 3).
Rys. 2. Pionowy profil prędkości i kierunku wiatru wyznaczony przez radar meteorologiczny w Świdwinie [6]
Fig. 2. Vertical profile of wind speed and direction determined
by the meteorological radar in Świdwin [6]
Scenariusz sesji pomiarowych radaru przewiduje skanowanie atmosfery co 10 minut. Dane radarowe z systemu POLRAD są operacyjnie wykorzystywane w ośrodkach zajmujących się bezpośrednim zabezpieczeniem meteorologicznym, m.in.
lotnictwa i żeglugi.
Rys. 3. Zestaw pomiarowy LAP-3000 firmy Vaisala zainstalowany na morskiej platformie wydobywczej [7]
Fig. 3. Measuring set LAP-3000 made by Vaisala, installed on
an oil rig [7]
Akustyczne systemy badania pola wiatru
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 1290 MHz.
Sonduje się atmosferę do wysokości 2 ÷ 5 km.
Uzyskiwana dokładność pomiaru prędkości wiatru
wynosi poniżej 1 m/s, a jego kierunek wyznacza się
z dokładnością poniżej 10º. Zestaw pomiarowy
wyposażony jest w system radioakustyczny RASS
(Radio Acoustic Sounding System), który dostarcza
danych o temperaturze powietrza do wysokości
1 ÷ 1,5 km z dokładnością około 1ºC.
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
[1].
Propagacja dźwięku w rzeczywistej atmosferze
charakteryzuje się silną zależnością pomiędzy częstotliwością dźwięku a jego tłumieniem. Oznacza
Zeszyty Naukowe 13(85)
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
61
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński
tów modelu UMPL. Izotachy wykreślone są co
1 m/s, kierunek naniesionych wektorów odpowiada
kierunkowi wiatru, a ich długość – prędkości wiatru.
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.
4
2
3
1
3
3
44
3
22
5
4
2
5
4
2
0
6
6
5
4
4
4
4
4
5
5
33
5
4
3
5
-1
4
3
2
1
2
-2
5
5
2
4
4
1
2
2
2
5
4
3
1
-3
2
2
1
1
4
1
1
-4
1
2
5
4
1
-5
1
Mezoskalowe prognozy pola wiatru
3
2
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 144
na 116 punktów odległych od siebie o 0,15º
(ok. 17 km). Pionowa rozdzielczość modelu pozwala na obliczenia dla 31 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 4 przedstawiono prognozę pola wiatru przyziemnego otrzymaną na podstawie produk-
5
3
2
3
3
5
2
5
3
3
2
2
1
1
-6
2
2
2
2
1
6
2
2
1
2
3
-7
2
3
2
3
2
-3
-2
-1
0
6
2
3
2
11
3
1
4
2
3
Rys. 4. Prognoza pola wiatru przyziemnego na podstawie
danych modelu UMPL
Fig. 4. Forecast of the ground wind field based on the UMPL
model’s data
Na rysunku 5 przedstawiono pionowy profil
prognozowanej prędkości wiatru do wysokości
2 km wzdłuż trasy Gdańsk (G) – Gdynia (Gd) –
Lębork (L) – Darłowo (D) – Rønne (R) na wyspie
Bornholm.
[m]
R
2000
10
8.5
8
12.5
12
11.5
11.5
11
11
7.5
10.5
7
10.5
10
10
9.5
9
10
9.5
8.5
1400
9
8
6.5
1300
8.5
9
8
7.5
6
1200
[km]
12
1700
1500
G
12.5
11
1800
1600
Gd
L
D
9
1900
8
7
6
6
7
900
5.5
5
4.5
800
6.5
6.5
5
1000
7.5
7
5.5
1100
5
4.5
6
4
700
600
3
2
500
4
1.5
2.5
3.5
2.5
3
1.5
3
400
2
1.5
300
7
200
6.5
6
5.5
5
4
4.5
3.5
3
0.5
100
0
3.5
4
5
2
1
2.5
0.5
1
0.3372
0
0
50
100
150
200
250
[km]
Rys. 5. Pionowy profil prognozowanej prędkości wiatru [m/s]
wzdłuż trasy Gdańsk (G) – Gdynia (Gd) – Lębork (L) – Darłowo (D) – Rønne (R) na Bornholmie
Fig. 5. Vertical profile of the forecast wind speed [m/s] along
the route Gdańsk (G) – Gdynia (Gd) – Lębork (L) – Darłowo
(D) – Rønne on Bornholm
62
Scientific Journals 13(85)
Badanie pola wiatru dla obszarów morskich na podstawie danych teledetekcyjnych i modeli numerycznych
Mezoskalowy niehydrostatyczny model prognozy
COAMPS
i Geodezji WAT. Prowadzone przez autorów prace
zmierzają do uzyskiwania produktów modelu przydatnych w zabezpieczeniu hydrometeorologicznym
różnych rodzajów wojsk [8]. Prowadzone są także
badania z zakresu analizy pól refrakcji atmosferycznej. Na rysunku 6 przedstawiono otrzymaną
z modelu COAMPS prognozę pola prędkości wiatru przyziemnego.
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 3-wymiarową, optymalną interpolację wielu zmiennych (MVOI).
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 3 ÷ 1 km i otrzymywania prognoz z jednogodzinnym krokiem czasowym.
Rys. 6. Prognoza pola prędkości wiatru przyziemnego [m/s]
otrzymana z modelu COAMPS
Fig. 6. 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
Zeszyty Naukowe 13(85)
63
Sławomir Pietrek, Janusz Jasiński, Krzysztof Kroszczyński
4. MOSZKOWICZ S., TUSZYŃSKA I.: Meteorologia radarowa –
Podręcznik użytkownika informacji radarowej IMGW.
Wydanie internetowe Instytutu Meteorologii i Gospodarki
Wodnej – www.imgw.pl, Warszawa 2006.
5. JASIŃSKI J., PIETREK S.: Measurement Results Analysis of
Vertical Wind Profiles Obtained by Means of Meteorological Doppler Radar. P. J. Envir. Stud., 2007, 16, 2B, 25–26.
6. www.imgw.pl
7. www.vaisala.com
8. FIGURSKI M., KROSZCZYŃSKI K., WINNICKI I.: Meteorological Models Role in Support. P. J. Envir. Stud., 2007, 16, 2B,
32–35.
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
1. 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
1994, cz. 3, 239–250.
2. COLLIER CH.G.: Applications of weather radar systems.
Praxis Publishing, Chichester 1996.
3. JASIŃSKI J., PIETREK S.: Remote Sensing of Wind in Troposphere by Means of Meteorological Doppler Radar. P. J. Envir. Stud., 2007, 16, 2B, 22–24.
Recenzent:
prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski
Akademia Morska w Szczecinie
64
Scientific Journals 13(85)