ETH computer graphics specialisten hebben wolkenvorming en luchtstroom in weersituaties met hoge resolutie geanalyseerd en een weersituatie met hoge resolutie in 3D gevisualiseerd. De luchtvaartindustrie en meteorologen kunnen in de toekomst mogelijk profiteren van deze visualisatiemethode.

Visualisatie speelt een grote rol in de studie van weergegevens, zoals temperatuur, luchtdruk en het wolkwatergehalte van de atmosfeer. Het grafisch weergeven van deze gegevens is heel natuurlijk, omdat het duidelijke ruimtelijke referentiepunten heeft en heel eenvoudig op kaarten kan worden geplaatst.

Tweedimensionale representaties zijn momenteel de standaard in de meteorologie, zowel in onderzoek als ten behoeve van weersvoorspellingen. Deze eenvoudige visualisaties zijn in de meeste gevallen voldoende. Echter, sommige processen, zoals de verticale vorming van wolken in de tijd, zijn moeilijk te bestuderen in twee dimensies.

Driedimensionale cloudvisualisatie

Daarom hebben computergraphics-specialisten in een team onder leiding van ETH-professor informatica Markus Gross benaderingen ontwikkeld op basis van numerieke weersimulaties om de vorming en dynamiek van wolken en luchtstromen driedimensionaal en met hoge resolutie te visualiseren.

De onderzoekers presenteerden hun werk op twee internationale expertconferenties. Volgens Tobias Günther, een senior wetenschapper in het team van Gross, de nieuwe 3D-visualisatiemethoden werden goed ontvangen door de aanwezigen. Voor zijn bachelorscriptie Noël Rimensberger, onder toezicht van Günther, ontwikkelde en breidde de methodiek uit en berekende de visualisaties op de computer.

Rimensbergers visualisaties waren gebaseerd op wind, cloud- en regengegevens die vrij beschikbaar zijn voor de wetenschappelijke gemeenschap als onderdeel van de internationale IEEE Scientific Visualization Contest. De onderliggende simulatie bootst de weersomstandigheden na op de avond van 26 april 2013 en is ontwikkeld als onderdeel van een grootschalig meteorologisch onderzoeksproject genaamd HD(CP)², waaraan meer dan 100 onderzoekers van 19 instellingen deelnamen.

De student computerwetenschappen combineerde bestaande algoritmen om wolkenvorming en luchtstromingen te visualiseren, toepassen van recente methoden die worden gebruikt in het onderzoeksveld van wetenschappelijke visualisatie.

Nieuwe mogelijkheden verkennen

Rimensberger benadrukt dat hij minder geïnteresseerd was in het ontwikkelen van levensvatbare voorspellende instrumenten voor meteorologie dan in het verkennen van de mogelijkheden om "weersgegevens in een relatief eenvoudige, begrijpelijke manier". De waarde voor de wetenschap is dat de 3D-graphics iets onthullen dat niet zichtbaar is met 2D-graphics, en zo een beter totaalbeeld te geven.

Bijvoorbeeld, De visualisaties van Rimensberger laten zien hoe wolken zich boven Duitsland vormen en in de loop van de tijd veranderen, hoe ze omhoog worden gedragen door opwaartse stromingen en vervolgens worden getransporteerd door winden in de troposfeer op meer dan 10 kilometer boven de grond. Wolkenzones met een identiek water- en ijsgehalte worden in verschillende kleuren weergegeven.

De student informatica analyseerde ook luchtstromen. De lijnen vertegenwoordigen de paden van luchtpakketten, en hun kleuren geven aan hoeveel een luchtdeeltje om zijn eigen as draait. De lengte van de lijnen geeft informatie over de afgelegde afstand, en visualiseert zo de stroomsnelheid. Opstijgende wolken creëren turbulenties die sterkere vorticiteit of veranderingen in het traject veroorzaken. Beide zijn af te lezen van de padlijnen.

Rimensberger legde ook de vliegroutes van opstijgende passagiersvliegtuigen op de wolkenformatiesimulaties. "Ik wilde weten of en hoe stormgebieden het luchtverkeer beïnvloeden, " hij zegt.

De vliegroutes van vliegtuigen die opstijgen vanuit Frankfurt, echter, dwars door de gesimuleerde onweerscellen heen. Slechts één vliegtuig, opstijgen vanaf München, vermijdt net een regencel boven Regensburg. Rimensberger concludeert dat de stormen niet sterk genoeg waren om het vliegverkeer om te leiden of dat er te weinig meetgegevens beschikbaar waren.

De nieuwe visualisaties vereenvoudigen de classificatie van wolkenformaties omdat ze wolken kunnen "onthullen" die niet waarneembaar zijn door satellieten boven of vanaf de grond. Een vergelijking met de conventionele 2-D-categorisatie van vandaag toonde aan dat de nieuwe algoritmen ook gestapelde wolkenstructuren kunnen onthullen.

Verborgen structuren onthullen

"De wetenschappelijke waarde van onze visualisatie ligt in het feit dat we iets zichtbaar maken dat met de bestaande tools niet te zien was, ", zegt Rimensberger. Het is nog niet helemaal klaar voor realtime simulaties, echter. Complexe afbeeldingen zoals die van de luchtstromingen in heel Duitsland, bijvoorbeeld, zijn nog geen gangbare praktijk geworden. "De berekeningen die hiervoor nodig zijn, zijn nog te traag. We proberen dit te verbeteren met betere algoritmen, " voegt Günther toe. "Maar het zou mogelijk zijn om sommige visualisaties te integreren of, bijvoorbeeld, cloudclassificaties nu in bestaande tools."

Voor luchtverkeersleiding, de visualisatie van regio's met turbulentie of regio's met sterke opwaartse stroming en stormontwikkeling kan ook interessant zijn.

Vervolgprojecten zijn gepland of lopen al, zoals de interactieve analyse van grote meteorologische datasets. De computergraphics-specialisten werken er ook aan om belangrijke structuren in deze gegevens beter zichtbaar te maken en de complexe visualisaties van luchtstromingen te versnellen. En wie weet, misschien zal de tv-weerpresentator op een dag wijzen op 3D-weerkaarten op basis van ETH's algoritmen.