Az európai operatív meteorológiai műholdakat üzemeltető szervezet az EUMETSAT (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites) 2002 augusztusában lőtte fel az új generációs Meteosat műholdat, majd 2006 októberében az első európai poláris műholdat, a Metop-ot. Ezen adatok minél hatékonyabb feldolgozására még 1998-ban munkacsoportokat, ún. SAF-okat (Satellite Application Facility) kezdtek létrehozni, melyek feladata az új műholdas adatok egységes feldolgozására módszerek, programcsomagok kidolgozása. Az első ilyen SAF az NWC SAF, mely ‘nowcastingot’ (az időjárás analízisét és néhányórás előrejelzését) segítő produktumokat állít elő. Magyarország 1999-ben csatlakozott az EUMETSAT-hoz, mint társult tag. A Nowcasting SAF munkájában mint „vendég kutató” vettünk részt. Feladatunk az volt, hogy összehasonlítsuk a SAF által előállított csapadék intenzitás produktumokat a magyarországi radar mérésekkel és a felszínen mért csapadék adatokkal volt. Ezt a munkát a Magyar Űrkutatási Iroda is támogatta témapályázat keretében. 2005 szeptemberében az EUMETSAT egy új SAF-ot hozott létre, az ún. Hidrológia SAF-ot, melynek már Magyarország is tagja lett. A Hidrológia SAF célja műholdas adatok alapján olyan paraméterek meghatározása, mely a hidrológia területén nyújtanak segítséget, pl. az árvíz vagy az aszály detektálásában. A Hidrológia SAF négy fő témakört ölel fel: - csapadék intenzitás meghatározása, - hó detektálás, - talajnedvesség számolása, - ezen produktumok hidrológiai alkalmazása. Az Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) az első munkacsoport munkájában vesz részt. Feladatunk a Nowcasting SAF-ban végzett munkához hasonlóan itt is a csapadék produktum verifikálása magyarországi radaros és felszíni mérési adatokkal. Így a Nowcasting SAF munka keretében szerzett tapasztalatok, eredmények nagy segítséget nyújtanak e projekt keretében végzendő munkánkban.

A Hidrológia SAF keretében az olasz félnek (a Hidrológia SAF-nak, valamint ezen belül a csapadék meghatározás alcsoport vezetőjének) a feladata volt olyan módszerek kidolgozása, mely műholdas adatokból csapadék intenzitás mezőt származtat. A munka során 3 eltérő módszert dolgoznak ki, három különböző műholdon található műszerek adatait felhasználva. A 2006/2007-es időszakban az első produktum, az AMSU műszer adataiból kapott csapadék produktumok verifikálását kezdtük meg. A NOAA műholdakon található AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) műszerek mikrohullámú tartományban mérnek. Az általuk szolgáltatott hőmérsékleti- és nedvességprofilok alapján határozzák meg a kihulló csapadékintenzitást. Az AMSU produktumok származtatásánál nem a légköri ablakokban, hanem az elnyelési csatornákban mért adatokat használják fel. Az AMSU produktumoknak a fejlesztők két különböző verzióját készítették el, ugyanazokból az adatokból, de más matematikai módszerekkel számoltak. A produktumok mindegyikét verifikáltuk (1-es és 2-es verzió). A műholdas adatokat radar és földfelszíni „in-situ” mérésekkel hasonlítottuk össze.

Az első vizsgálatokhoz a következő hónapok adatai álltak rendelkezésünkre: augusztus, október, november, február, március. Ezen időszakra összegyűjtöttük: - a felszíni automata csapadékmérő állomások adatait, melyek 10 perces időintervallumokban mérik a lehullott csapadék mennyiségét, - az országos radar képeket, mely negyedóránként állnak rendelkezésre - az MSG képekből a NWCSAF által számolt felhőtípus produktumokat.

1. ábra. H-SAF csapadék produktumok összehasonlítása radar mérésekkel, MSG felhő típus képpel, illetve felszíni csapadék állomások adataival 2006. augusztus 14, 00:46-kor. Az a) ábra bal felső sarkában a H-SAF csapadék AMSU produktum 1. verziója, a jobb felső sarokban ennek 2. verziója látható. A bal alsó sarokban ez időpontnak megfelelő radar mező, míg a jobb alsó sarokban az MSG képből származtatott felhőtípus kép látható. A b) ábrán a jobb alsó sarokban a felszíni csapadékmérő állomás adatai láthatóak. A kép értelmezésénél oda kell figyelni arra, hogy a radar és a felszíni csapadékállomások adatait ábrázoló színskála nem egyezik meg az AMSU adatokat ábrázóló színskálával: míg a radar skála a 0,5 mm/h feletti intenzitásnál zöld, a másik skála 3-5 mm/h intenzitás között zöld, 2-3 mm/h között világoskék.

Az összehasonlításhoz első lépésként el kellett készíteni azokat a programokat, amelyekkel egyrészt a műholdas produktumokat tudjuk olvasni, másrészt a műholdas, illetve a radar és felszíni állomás adatokat azonos vetületre transzformálják. A különböző adatokat ezek után ezen a közös vetületen tudjuk megjeleníteni. Az AMSU a műszer térbeli felbontása átlagosan 30 km, így ugyanennyi a műholdas produktumok felbontása is. Ez sokkal kisebb, mint a radar mező felbontása (2 km). Ez a különbség jól látszik a közös térképvetületen való ábrázoláskor is (lsd. 1. és 2. ábra). A felszíni, egy pontban mért adatokat is a műholdas adatok számára definiált 30 km felbontású közös térképrácson jelenítettük meg.

Az összegyűjtött adatokat első lépésként vizuálisan értékeltük. Elsőként vizsgáltuk, hogy a műholdas adatokból származtatott csapadék produktum területileg mennyire egyezik meg a radar, illetve felszíni mérésekkel. Vizsgáltuk, hogy mekkora az egyezés különböző szinoptikus helyzetekben, különböző felhő típusoknál. Az összehasonlító vizsgálatoknál felhasználtuk a különböző MSG kompozit képeket, valamint a NWC SAF felhőtípus produktumát.

2. ábra H-SAF csapadék produktumok összehasonlítása radar adatokkal, valamint MSG kompozit képpel 2006. augusztus 12. 15:17-kor. Az ábra bal felső sarkában a H-SAF AMSU csapadék produktum 1. verziója, a jobb felső sarokban ennek 2. verziója látható. A bal alsó sarokban a radar mező, míg a jobb alsó sarokban az MSG képből készített zivatar kompozit kép látható.

Az 1. ábrán egy példát látunk a számolt és mért értékeket összehasonlítására. A validálás során egyértelműen látható volt, hogy az 1. módszerrel számított csapadék produktumok felülbecsülik,, míg a 2. módszerrel számolt mezők alulbecslik a csapadék intenzitás értékeket, de területileg mind a két produktum jó egyezést mutat mind a radar mind a felszíni mérésekkel. Az 1. produktum a csapadék térbeli változékonyságát is jól visszaadja, míg a 2. mező – tekintettel arra, hogy alulbecsli az értékeket - térbeli változékonyságot alig mutat. A módszer megbízhatósága nem változott azzal, hogy a kép éjszaka vagy nappal készült. Ez nagyon előnyös, ha egy zivatarfelhő tevékenységét akarjuk nyomon követni a nap folyamán nappal és éjszaka. A 2. ábra a zivatar kompozit kép előnyeit mutatja be. Jól látható a zivatar kompozit képen, hogy Dél-Magyarország területén egy fejlett zivatarfelhő alakult ki, melyet mind a radarmérés, mind az MSG képekből készített ún. zivatar kompozit kép jól detektált. A zivatar kompozit képen a piros, narancssárga, sárga színek jelölik a magas, hideg jégfelhőket, a több sárga árnyalat hevesebb a zivatar tevékenységet jelez. A H-SAF keretében kidolgozott módszerrel számolt két csapadék produktumot összehasonlítva a radar méréássel jól látható, hogy a második verzió bár alulbecsli, de területileg jól megfogja a zivataros területeket, míg az 1. verzió egyáltalán nem adott csapadékot. Frontális esetben a csapadékmezőt mind a két módszer jól detektálja, de jelentősebb változékonyságot csak az első verzió mutat. Az októberi időszakot vizsgálva több esetben az is megfigyelhető volt, hogy a 2. verzió olyan esetben is csapadékot adott, amikor sem a felszíni sem a radarmérés nem mért.

A vizuális értékelés, összehasonlítás után a statisztikai vizsgálatok következtek. A műholdas és felszíni csapadék adatok alapján történő statisztikai számítások elvégzéséhez szintén programokat kellett írnunk, melyek különböző statisztikai paramétereket számolnak ki minden egyes képre.

Dátum Idő n nhit nmiss nfalse nzero pod far rand ets Bias rms 20060805 11:53 83 2 0 17 64 1 0.89 0.45 8.3E-02 5.57 2.47 20060807 15:40 88 0 15 12 61 0 1 2.04 -8.2E-02 -0.66 0.28 20060814 00:46 89 27 4 15 43 0.87 0.35 14.62 0.39 -8.56 1.76 20060829 05:39 83 36 1 26 20 0.97 0.41 27.63 0.23 -11.21 1.63 20060830 05:01 84 17 0 43 24 1 0.71 12.14 0.1 -7.17 1.16 20060805 11:53 83 2 0 9 72 1 0.81 0.26 0.16 -0.24 8.4E-02 20060807 15:40 88 5 10 5 68 0.33 0.5 1.7 0.18 -7.5E-02 4.7E-02 20060814 00:46 89 24 7 4 54 0.77 0.14 9.75 0.56 -0.32 8.6E-02 20060829 05:39 83 33 4 6 40 0.89 0.15 17.38 0.61 -0.86 0.15 20060830 05:01 84 17 0 14 53 1 0.45 6.27 0.43 -0.65 0.12

1. táblázat. A két módszerrel számított csapadék produktumok statisztikai összehasonlítása felszíni automata csapadékmérő állomások adataival néhány csapadékos napra. Az első csoport az 1. módszerrel, míg a második csoport a 2. módszerrel számított eredményeket mutatja.

Az 1. táblázat első négy statisztikai paraméterének jelentése: nhit – azon esetek száma, mikor az automata állomás is és a műholdas adatokból származtatott produktum is csapadékot adott. Ez a jó esetek száma. nmiss – azon esetek száma, amikor a felszíni állomás mért, de a műholdas becslés nem adott csapadékot. nfalse -- azon esetek száma, amikor az állomáson nem mértek csapadékot, de a műholdas becslés csapadékot adott. nzero -- azon esetek száma, amikor sem a felszíni csapadékmérő, sem a műholdas produktum nem adott csapadékot.

Az adatokból jól látható, hogy a 2. módszer esetén az nfalse értékek jelentősen csökkentek, azaz a 2. verzió pontosabban határozza meg a csapadékos területek elhelyezkedését. Az is jól megfigyelhető, hogy a csapadékállomások kis százalékában (nmiss) fordult elő olyan eset, hogy a műholdas módszer nem adott csapadékot, míg a felszíni állomás mért. A csapadék értékeket illetően a 2. módszer esetén figyelhető meg kisebb eltérés (bias, rms) a mért és a becsült értékek között.

Az eddig elért eredményekről, tapasztalatokról a H-SAF csapadék validálást végző munkacsoport értekezleten, valamint a H-SAF projekt ülésén részletesen beszámoltunk.

A verifikálás tovább folytatódik. Egyrészt a fejlesztők a résztvevő országok eredményeinek, tapasztalatainak ismeretében továbbfejlesztik módszerüket, hogy minél pontosabb csapadék produktumot tudjanak származtatni a műholdas adatokból, másrészt a validálást végző intézeteknek tovább folytatják a vizsgálatokat különböző esettanulmányok során, vizsgálva a különböző időjárási helyzeteket, az évszakos hatást, valamint fejlesztik a verifikálást végző programokat, hogy az adatok összehasonlításának módszere minél pontosabb, megbízhatóbb legyen.

Gerhátné dr. Kerényi Judit, Lábó Eszter, dr. Putsay Mária
Országos Meteorológiai Szolgálat
Távérzékelési Osztály
Műholdmeteorológiai Kutató Laboratórium