9. A better way to predict the weather on sea and over land

Date:

August 26, 2016

Source:

University of Wisconsin-Madison

Scientists at the Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) at the University of Wisconsin-Madison have made new updates to old technology that will enable weather forecasters to make improved predictions of severe weather.

The new capability is based on an algorithm CIMSS scientists Tony Wimmers and Chris Velden developed nearly a decade ago to better equip satellites to measure "total precipitable water" (TPW), the total amount of water vapor contained in a column of moist air from the Earth's surface to the very top of the atmosphere. That algorithm allowed measurements solely above the sea, but now TPW values can be measured over land, too.

By measuring TPW, forecasters learn how much moisture in a given column of moist air could potentially become rain or snow. It is an especially important metric for predicting and tracking tropical cyclones and other severe weather in the humid tropics.

In 2003, Wimmers and Velden sought to fill in the time gaps in TPW data already collected by polar-orbiting satellites, which gather swaths of information from above the Earth's surface roughly every one-to-18 hours. They wanted to create an algorithm that would apply an existing technique to TPW data, but the technique had only ever been used for flat values, not for volume, such as a column of TPW.

"I didn't think it would work," says Wimmers, the lead developer for the project, called the Morphed Integrated Microwave Imagery at CIMSS -- Total Precipitable Water, or MIMIC-TPW. "But, it turns out, it provides a very accurate approximation over the time gaps that we were filling in … I think it surprised everyone."

Wimmers and Velden launched the first MIMIC-TPW algorithm in 2007 and it has been an integral tool for tropical weather analysis ever since. Still, there was room for improvement, particularly to better serve coastal forecasters.

Some polar-orbiting satellites scan the Earth and collect data in a conical pattern, so while they are constantly changing position all over the globe, their retrievals are generated from the same scan angle. This allows them to take very precise measurements and stay well calibrated with other conical scanners, Wimmers explains, but it constrains TPW data collection to uniform surfaces like oceans. Land was simply too uneven, especially in locations with varied topography.

"It's a very simple algorithm that gives you a very fast retrieval of TPW over oceanic areas, says Wimmers. "But it doesn't generate retrievals over land."

This was adequate for users like the U.S. Naval Research Laboratory -- a major source of support for MIMIC-TPW -- and other users generally interested in forecasting marine weather and tropical cyclone environments. But Wimmers and Velden hoped to find an alternative solution that could extend coverage to over land areas.

Then, last year, they got their opportunity.

The National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) made significant improvements in the TPW retrieval from its microwave-scanning satellites, called the Microwave Integrated Retrieval System (MIRS). While lower in overall resolution, these satellites provide more comprehensive coverage than conical-scanning satellites.

"Since this is a full atmospheric retrieval system, it works over all surfaces, including land," says Wimmers.

He and Velden made changes to the MIRS algorithm, a technique they refer to as "morphological compositing." It uses TPW data from every available operational microwave-frequency satellite sensor, extending MIMIC-TPW's coverage above and beyond the original design, providing TPW values over land and sea for the entire globe.

"We adapted the image-morphing algorithm to work over water and land, and applied it to a more formal coordinate system," says Wimmers. "What we were doing before was essentially a shortcut -- it only needed to apply to the tropics. This new method makes it work in global coordinates."

The algorithm uses data from seven microwave instruments from U.S. military, NOAA, Japanese and European satellites. Then it incorporates wind values from the National Weather Service's global weather model -- the Global Forecast System (GFS) -- and accounts for water vapor motion. The algorithm can "push" the data forward from the time of the measurement about one-to-10 hours or push it backward by the same time interval, Wimmers explains.

"That way, you can take one observation and make it apply to a long stretch of time," he says, though he cautions the technique needs "special care."

"You have to make sure you are not violating too many assumptions about how water vapor moves, but it is a pretty simple process," Wimmers says.

While the new MIMIC-TPW version is not yet fully operational (it has only been online a few weeks) the team has already received requests for case study imagery, some of which predate its release, such as a severe flooding event in South Carolina last fall. The data should be more useful for a variety of interested users.

"This is very encouraging. It shows us we are on the right track," Wimmers says. "It's a very good sign that people (forecasters) are that interested in it, and we can start to take it in new directions."

MIMIC-TPW 2.0 will most likely be operational in the fall of 2016.

Перевод

Ученые из Кооперативного института метеорологических спутниковых исследований (CIMSS) в университете Висконсин-Мэдисон сделали новые обновления старой технологии, которая позволит синоптикам улучшить прогнозирование суровых погодных условий.

Новые возможности на основе алгоритма CIMSS ученые Тони Wimmers и Крис Велден, разработанного почти десять лет назад, чтобы лучше оборудовать спутник для измерения «общего влагосодержания» (TPW), общего объема водяного пара, содержащегося в столбце влажности воздуха с поверхности земли до самого верха атмосферы. Этот алгоритм позволил измерять исключительно над морем, но теперь значения общего влагосодержания можно измерить над землей, тоже.

Путем измерения общего влагосодержания, синоптики узнают, сколько влаги в данной колонке влажного воздуха потенциально может стать дождь или снег. Это особенно важный показатель для прогнозирования и отслеживания тропических циклонов и других суровых погодных условий во влажных тропиках.

В 2003 году Wimmers и Velden стремились заполнить временные пробелы в данных общего влагосодержания, уже собранных полярно-орбитальными спутниками, которые собирают ряд информации с поверхности земли примерно каждые 1 до 18 часов. Они хотели создать алгоритм, который будет применять существующую технику для сбора данных общего влагосодержания, но техника только используется для плоских значений, не для уровня, например столбца общего влагосодержания.

«Я не думаю, что это будет работать» говорит Wimmers, ведущий разработчик проекта под названием интегрированные микроволновые изображения на CIMSS, осаждаемой воды или MIMIC-TPW. «Но, оказывается, она обеспечивает очень точное приближение временнных пробелов, которые мы заполняли в... Я думаю, он удивил всех.»

Wimmers и Velden запустили первый алгоритм MIMIC-TPW в 2007 году и, с тех пор он стал неотъемлемым инструментом для анализа тропической погоды. Тем не менее, была возможность для совершенствования, особенно для улучшения обслуживания прибрежных прогнозистов.

Некоторые спутники на полярной орбите сканировали землю и собирали данные в коническую диаграмму; в то время как они постоянно меняют позиции по всему миру, их отклонения создают угол сканирования. Это позволяет им принимать очень точные измерения и быть хорошо провренными с другими коническими сканерами, объясняет Wimmers, но это ограничивает сбор TPW данных с единообразных поверхностей, таких как океаны. Земля была просто слишком неровная, особенно в местах с разнообразным рельефом.

«Это очень простой алгоритм, который дает вам очень быстрый поиск TPW над океаническими районами, говорит Wimmers». Но он не генерирует данные полученные на земле.»

Это было достаточно для таких пользователей, как военно-морская исследовательская лаборатория США – основной источник поддержки для MIMIC TPW - и других пользователей, обычно заинтересованных в прогнозировании морской погоды и тропических циклонов окружающей среды. Но Wimmers и Velden надеются найти альтернативное решение, которое могло бы охватить районы над землей.

Затем в прошлом году они получили свои возможности.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований сделали значительные улучшения в извлечении TPW из спутников сканирования микроволн, названной микроволновая интегрированная поисковая система (МИРС). Хотя в меньшей степени в общей резолюции, эти спутники обеспечивают более полный охват, чем спутники конического сканирования.

«Поскольку это полная атмосферная поисковая система, она работает на всех поверхностях, включая землю,» говорит Wimmers.

Он и Velden внесли изменения в алгоритм "MIRS", техника, которую они называют «морфологическая композиция.» Она использует TPW данные из всех доступных спутниковых датчиков сверхчастот, расширение охвата MIMIC-TPW сверх оригинальный дизайн, предоставляя TPW значения над землей и морем для всего земного шара.

«Мы адаптировали алгоритм выдачи изображения для работы над водой и землей и применили его к более формальной системы координат,» говорит Wimmers. «То, что мы делали раньше, был по сути ярлык – он был применим только к тропикам. Этот новый метод делает его работу в глобальных координатах.»

Алгоритм использует данные из семи высокочастотных инструментов от американских военных, NОАА, японских и европейских спутников. Затем он включает значения ветра из национальной метеорологической службы глобальной погоды, модели глобальной системы прогнозирования (GFS) - и счета для движения водяных паров. Алгоритм может давать данные от времени измерения около одного до 10 часов или толкать его обратно же интервал времени, объясняет Wimmers.

«Таким образом, вы можете взять одно наблюдение и применить его к большому отрезку времени,» говорит он, хотя он предупреждает, что техника нуждается в «особой заботе».

«Вы должны убедиться, что вы не нарушая слишком много предположений о том как движется водяной пар, но это довольно простой процесс»,-говорит Wimmers.

В то время как новая версия MIMIC-TPW еще не полностью функционирует (она была только онлайн несколько недель) команда уже получила запросы на изучение изображений, некоторые из которых предшествовали ее выпуску, например серьезные наводнения в Южной Каролине прошлой осенью. Данные должны быть более полезным для различных заинтересованных пользователей.

«Это очень обнадеживает. Это показывает нам, что мы на правильном пути,» говорит Wimmers. «Это очень хороший знак, что люди (синоптики), заинтересованы в нем, и мы можем начать применять его в новых направлениях».

MIMIC-TPW 2.0 скорее всего, будет функционировать в конце 2016 года.