Uusia menetelmiä lyhyiden sade-ennusteiden tuottamiseen kaupunkiympäristössä

Luotettavat sade-, ja sitä kautta tulvaennusteet, ovat tärkeitä tiheästi asutuilla kaupunkialueilla. Tutkimuksessa kehitettiin uusia tapoja käyttää tutkamittauksia sateen ennustamiseen. Ennusteiden luotettavuutta testattiin käyttäen Yhdysvalloissa suurkaupunkialueella sijaitsevaa säätutkaa.

Sateen lähihetkiennustamisella (nowcasting) tarkoitetaan lyhyitä eli alle 3 tunnin päähän ulottuvia konenäköön, -oppimiseen tai tilastollisiin menetelmiin perustuvia ennusteita. Nopeasti päivittyvät hienohilaiset ennusteet ovat tärkeitä etenkin tiheästi asutuilla kaupunkialueilla, joissa rankkasateet voivat aiheuttaa tuhoisia tulvia. Perinteiset ilmakehän fysiikkaa kuvaavat numeeriset säämallit soveltuvat huonosti tähän tarkoitukseen.

Säätutkat tekevät mittauksia 5–20 korkeuskulmaa käyttäen, mikä mahdollistaa sateen pystyprofiilin määrittämisen. Tämä on tärkeää etenkin konvektiivisia sadekuuroja ennustettaessa. Perinteiset nowcasting-menetelmät käyttävät vain alimpia korkeuskulmia, jolloin sade-ennusteet perustuvat lähellä maanpintaa oleviin mittauksiin. Tutkimuksen keskeinen tulos on, että laskemalla pystysuunnassa integroitu vesisisältö kaikkia korkeuskulmia hyödyntäen saadaan luotettavampia ennusteita. Tutkimuksessa kehitettiin myös uusi tilastollinen ennustemalli. Tavanomaiset lyhyen aikavälin ennusteet perustuvat pääasiassa sadealueiden liikkeeseen. Uudella mallilla voidaan myös ennustaa sateen voimakkuuden kehitystä.

Kehitetty malli validoitiin käyttäen Yhdysvaltain kansallisen sääpalvelun NEXRAD-tutkaa, joka kattaa yli 7 miljoonan asukkaan Dallasin ja Fort Worthin suurkaupunkialueet. Tämä tehtiin tutkan lähiympäristössä (alle 80 km), jolloin saadaan riittävä pystysuuntainen resoluutio. Tutkimuksessa osoitettiin, että uudella mallilla tuotetut lyhyen aikavälin sade-ennusteet ovat jopa 25 % luotettavampia kuin perinteisiä malleja käytettäessä. Malli on myös laskennallisesti tehokas: sillä voidaan esimerkiksi tuottaa tunnin pituisia ennusteita 1 km2 hilaan viiden minuutin välein.

Lisätietoja:

Tutkija Seppo Pulkkinen, Ilmatieteen laitos, seppo.pulkkinen@fmi.fi

Pulkkinen, S., Chandrasekar, V., von Lerber, A. and Harri, A.-M., Nowcasting of Convective Rainfall using Volumetric Radar Observations, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2020, https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.2984594.