Znaczenie wysokorozdzielczych danych meteorologicznych dla geodezji
Wysokorozdzielcze modelowanie stanu atmosfery, realizowane przez modele takie jak implementacja WRF METEOPG, odgrywa fundamentalną rolę nie tylko w nowoczesnej geodezji satelitarnej, ale również w geodezji klasycznej, inżynieryjnej oraz w szeroko pojętym budownictwie. O ile w systemach GNSS i przy zapewnianiu bezpieczeństwa usług PNT (Positioning, Navigation, and Timing) precyzyjne dane meteorologiczne są kluczowe do fizycznej redukcji błędów propagacji sygnału (głównie opóźnienia troposferycznego ZTD), o tyle w klasycznych pracach geodezyjnych i na placach budowy stanowią one podstawę harmonogramowania i bezpieczeństwa. Dostęp do wiarygodnych prognoz pogody staje się obecnie krytyczny, ponieważ w Europie Środkowej, w tym w Polsce, obserwuje się wyraźny wzrost częstotliwości występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych. Fale upałów, gwałtowne burze, porywiste wiatry czy nagłe, nawalne opady bezpośrednio i negatywnie wpływają na pracę geodety w wielu wymiarach:
- Technologicznym, skrajne temperatury i wilgotność potęgują błędy refrakcji, uniemożliwiając wykonanie precyzyjnej niwelacji czy pomiarów tachimetrycznych. Z kolei silny wiatr wyklucza wykorzystanie dronów (UAV) do nalotów fotogrametrycznych i powoduje drgania smukłych budowli w trakcie ich monitoringu.
- Realizacyjnym i budowlanym, złe warunki atmosferyczne wstrzymują prace ziemne i montażowe, co bezpośrednio opóźnia obsługę geodezyjną inwestycji.
- Bezpieczeństwa (BHP), ekstremalne warunki stwarzają fizyczne zagrożenie dla zespołów terenowych pracujących nierzadko w trudnym, otwartym terenie lub na wysokościach.
Z tego powodu, precyzyjne prognozy parametrów meteorologicznych z numerycznych modeli pogody są dziś nie tylko wsparciem naukowym, ale wręcz niezbędnym narzędziem operacyjnym w codziennej pracy inżynierów i geodetów.
Czym jest model WRF METEOPG?
WRF METEOPG to zaawansowany, wysokorozdzielczy numeryczny system prognozowania pogody, rozwijany i operacyjnie utrzymywany w Centrum Informatycznym TASK (CI TASK) przy Politechnice Gdańskiej. Stanowi on zoptymalizowaną, regionalną implementację uznanego na świecie, nieliniowego i niehydrostatycznego modelu WRF (Weather Research and Forecasting). Prace nad systemem rozpoczęto na początku 2017 roku, a już od września tego samego roku model z powodzeniem funkcjonuje w trybie operacyjnym. Odpowiadając na rosnące zapotrzebowanie środowiska naukowego, od 2024 roku uruchomiono i równolegle wykorzystywana jest również wersja klimatyczna modelu.
Kluczowe cechy i parametry techniczne modelu WRF METEOPG:
- Rozdzielczość i siatka obliczeniowa. Model operacyjnie pracuje na gęstej siatce w odwzorowaniu Lamberta, charakteryzującej się bardzo wysoką rozdzielczością przestrzenną wynoszącą 2,5 km. Pozwala to na precyzyjne odwzorowanie lokalnej rzeźby terenu oraz zjawisk mikrometeorologicznych, które często „umykają” globalnym modelom o rzadszej siatce, a które są kluczowe przy modelowaniu troposfery dla potrzeb geodezji.
- Warunki początkowe i brzegowe. Do zasilania symulacji WRF METEOPG wykorzystywane są wysokiej jakości dane z modelu ICON-EU, pobierane z repozytorium otwartych danych niemieckiej służby meteorologicznej DWD (Deutscher Wetterdienst).
- Cykl operacyjny. System jest uruchamiany cztery razy na dobę, ściśle w głównych terminach synoptycznych: 00:00, 06:00, 12:00 i 18:00 UTC. Gwarantuje to ciągły dostęp do odświeżanych i zaktualizowanych prognoz meteorologicznych.
- Wysoka wydajność obliczeń jest realizowana na superkomputerze Tryton plus (HPC Tryton plus). Operacyjne utrzymanie tak złożonego modelu wymaga potężnej mocy obliczeniowej. Z tego względu obliczenia realizowane są na infrastrukturze Komputerów Dużej Mocy w CI TASK (w tym na klastrze obliczeniowym Tryton Plus). Gwarantuje to stabilność i terminowe dostarczanie prognoz.
- Dystrybucja wyników. Wyniki modelowania w postaci map, wykresów i surowych danych są udostępniane szerokiemu gronu odbiorców na stronie internetowej meteopg.pl. Cała infrastruktura serwisu internetowego działa niezawodnie w środowisku chmurowym utrzymywanym przez CI TASK.
Opis parametrów implementacji modelu WRF METEOPG i ich przykładowe zastosowanie
- Parametry kluczowe dla redukcji obserwacji i propagacji sygnałów GNSS
- Ciśnienie na poziomie morza (MSLP), zredukowane do poziomu morza ciśnienie atmosferyczne. Absolutnie podstawowy parametr do wyznaczania opóźnienia hydrostatycznego (ZHD – Zenith Hydrostatic Delay) w pomiarach GNSS. Nawet niewielkie błędy w określeniu ciśnienia bezpośrednio generują błędy w wyznaczanej składowej wysokościowej (Up) stacji.
- Temperatura 2m to podstawowa temperatura powietrza mierzona 2 metry nad poziomem gruntu. Konieczna do obliczania średniej temperatury profilu troposferycznego (wymaganej w modelach mapowania sygnałów GNSS) oraz do wyznaczania poprawek refrakcyjnych w klasycznej niwelacji trygonometrycznej i tachimetrii.
- Temperatura punktu rosy jest temperaturą, w której powietrze osiąga stan nasycenia parą wodną. W połączeniu z temperaturą 2m pozwala wyznaczyć ciśnienie pary wodnej. Jest to krytyczny parametr do szacowania „mokrej” składowej opóźnienia troposferycznego (ZWD), która jest najbardziej zmienna przestrzennie i czasowo.
- Wilgotność względna to wyrażony w procentach stosunek aktualnego ciśnienia cząstkowego pary wodnej do prężności pary nasyconej. Wspomaga modelowanie refrakcji, ale jest też kluczowa dla sprzętu. Wysoka wilgotność wpływa na tłumienie wiązek dalmierzy elektrooptycznych (LiDAR, tachimetry) oraz ryzyko zaparowania optyki instrumentów.
- Parametry środowiskowe i gruntowe
- Dobowa temperatura na 2m to temperatura (w tym ekstrema) w ujęciu 24-godzinnym. Analiza naprężeń termicznych wielkich konstrukcji inżynierskich (mosty, zapory, wysokie budynki) poddawanych monitoringowi geodezyjnemu. Pozwala korelować wychylenia budowli ze zmianami dobowymi temperatury.
- Temperatura powierzchni gruntu. Znajomość reżimu termicznego gruntu pozwala przewidywać zjawiska wysadziny mrozowej (przemarzanie gruntu), co ma bezpośredni wpływ na weryfikację stabilności płytkich znaków osnowy geodezyjnej oraz posadowienia stacji referencyjnych.
- Zawartość wody w glebie. Udział wody w profilu glebowym. Parametr o dużym znaczeniu w mikrograwimetrii. Zmiany masy wody w gruncie wpływają na lokalne pole siły ciężkości, co wymaga modelowania przy precyzyjnych pomiarach absolutnych i względnych. Wskazuje też na ryzyko osiadań gruntów spoistych.
- Parametry fotogrametryczne, wiatrowe i planistyczne
- Pole wiatru na 10m i kierunek wiatru. Średni wektor prędkości oraz kierunek przemieszczania się mas powietrza.
- Porywy wiatru na 10m. Maksymalne chwilowe wartości prędkości wiatru.
Oba parametry wiatrowe są kluczowe przy planowaniu nalotów fotogrametrycznych (szczególnie UAV), determinują znios drona, zużycie baterii oraz w ogóle możliwość wykonania bezpiecznego lotu. Ponadto silny wiatr powoduje odchylenia smukłych budowli (kominów, wież telekomunikacyjnych), co trzeba uwzględnić w geodezyjnym monitoringu ich geometrii. - Zachmurzenie ogólne w %. Stopień pokrycia nieba przez chmury. Parametr warunkuje możliwość wykonania zdjęć lotniczych (chmury poniżej pułapu lotu) oraz optycznych zobrazowań satelitarnych. Wpływa też na zacienienie paneli słonecznych zasilających autonomiczną aparaturę pomiarową.
- Irradiancja słoneczna. Moc promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię (W/m²). Nierównomierne nasłonecznienie wywołuje asymetryczne nagrzewanie się filarów i budowli, co prowadzi do ich tymczasowego wygięcia (istotne przy precyzyjnym monitoringu inżynieryjnym). Silne nasłonecznienie przy gruncie generuje też lokalne turbulencje i „pływanie” obrazu, skrajnie utrudniając niwelację precyzyjną.
- Opad atmosferyczny i bezpieczeństwo (BHP)
- Opad deszczu 3h, opad śniegu 3h oraz opad całkowity 1h i 24h. Rodzaj i intensywność opadów w zdefiniowanych oknach czasowych. Silne opady śniegu powodują fizyczne zasypanie znaków geodezyjnych i dodatkowe obciążenie monitorowanych konstrukcji dachowych. Akumulacja opadów 24h (deszcz) jest indykatorem zagrożenia osuwiskowego (istotne dla geodezji na terenach górzystych i skarpach). Opady w ogóle wykluczają pomiary skanerami laserowymi i naloty UAV.
- Temperatura odczuwalna. Subiektywne odczucie termiczne uwzględniające m.in. chłód wiatru (wind chill). Parametr o charakterze operacyjnym i logistycznym. Niezbędny do zarządzania zespołami ludzkimi w terenie (BHP), określania reżimu przerw w pracy i doboru odpowiedniego wyposażenia w trudnych warunkach pogodowych.
Autor systemu modelowania WRF METEO: prof. dr hab. Mariusz Figurski