TSM - Avertizările Meteorologice de tipul nowcasting

Narcisa Milian - Meteorolog previzionist @ Serviciul Regional de Prognoză a Vremii Sibiu

Continuăm seria de articole privind automatizarea prognozei meteorologice pe termen scurt folosind tehnici de învățare automată (eng. Machine Learning). Acest articol este o introducere în domeniul avertizărilor meteorologice pe termen scurt (nowcasting). În momentul actual, acestea sunt emise pe baza rezultatelor introducerii observațiilor meteorologice în diverse modele numerice de prognoză. Scopul proiectului internațional de cercetare WeaMyL, condus de o echipă de la Universitatea Babeș-Bolyai, în parteneriat cu Administrația Națională de Meteorologie și Met Norway.

Observațiile stau la baza întregii activități de meteorologie. Observațiile de la sol, aerologice, satelitare, RADAR, reprezintă date de intrare pentru rularea diferitelor modele numerice de prognoză și apoi a elaborării prognozelor de scurtă și medie durată, precum și a celor de foarte scurtă durată, cunoscute sub numele de nowcasting. Avertizările meteorologice sunt emise atunci când se înregistrează sau sunt prognozate fenomene meteorologice potențial periculoase. Acestea sunt definite ca fenomene meteorologice care afectează violent zone relativ mari de teren, și cu potențialul de a provoca pierderi de vieți omenești, pagube materiale sau degradarea mediului ambiant.

Serviciile meteorologice din întreaga lume funcționează 24 de ore pe zi, 365 de zile pe an, astfel încât avertizările pot fi emise la orice oră din zi sau din noapte. Fenomenele meteorologice pentru care sunt emise avertizări sunt cantități însemnate de precipitații, furtuni, vânt puternic, fulgere, căderi de grindină, ninsori însemnate, producerea poleiului, temperaturi extreme și scăderea vizibilității/ceață [1].

Avertizările sunt de două feluri: cele care anunță producerea de fenomene periculoase cu până la 24 de ore înainte (de scurtă durată sau generale) și cele imediate (de foarte scurtă durată sau nowcasting), care sunt emise cu câteva minute până la trei ore înainte producerea unui fenomen periculos, în funcție de tipul și gravitatea acestuia. Avertizările imediate vin de multe ori în completarea celor generale, anunțând agravarea unor fenomene meteorologice deja anunțate.

În ultimii ani, numărul dezastrelor legate de vreme a fost în creștere, atât ca frecvență, cât și ca intensitate, fiind reprezentate de valuri de căldură, secetă, furtuni convective, inundații, cicloni tropicali sau uragane. Un dezastru natural este un proces sau fenomen natural care poate provoca pierderi de vieți omenești, vătămări sau alte efecte asupra sănătății, daune materiale, pierderea mijloacelor de trai și a serviciilor, perturbări sociale și economice sau daune mediului. Diverse fenomene, cum ar fi cutremurele, alunecările de teren, erupțiile vulcanice, inundațiile, uraganele, tornadele, viscolul, tsunami, ciclonii, incendiile și pandemiile sunt toate pericole naturale care ucid mii de oameni, proprietățile acestora și care presupun miliarde de lei pentru refacerea acestora în fiecare an [2]. Prin urmare, Organizația Mondială de Meteorologie (OMM) se străduiește să crească capacitățile de identificare și reducere a riscurilor asociate cu astfel de extreme [3].

Conform Atlasului OMM al mortalității și pierderilor economice din cauza condițiilor extreme meteorologice, climatice și hidrologice din perioada 1970 - 2019, numărul dezastrelor a crescut de cinci ori între 1970 și 2019, iar pierderile economice au crescut și mai mult - de șapte ori. Cu toate acestea, datorită îmbunătățirii modului de emitere a avertizărilor timpurii, precum și a strategiilor de reducere a riscului de dezastre, numărul deceselor a scăzut de aproape trei ori din 1970 [3].

Potrivit raportului Grupului Interguvernamental de Schimbări Climatice (IPCC, 2018), există indicii din scenariile climatice viitoare că extremele din vreme și climă vor crește. Deși au fost înregistrate progrese semnificative în înțelegerea, monitorizarea, predicția, calculul și comunicarea științifică, încă există decalaje față de aplicarea acestora la problemele legate de vreme cu care se confruntă societatea. Predicția fără întreruperi a evenimentelor meteorologice cu impact mare la o gamă largă de scări (de la prognoza actuală la cea sezonieră și nu numai) trebuie îmbunătățită, cu un accent deosebit pe scara locală, unde trebuie luate decizii rapide pentru a salva vieți și bunuri. Canalele de comunicare adecvate și personalizate pentru prognoze și avertizări, împreună cu verificarea orientată către utilizator, sunt cruciale pentru îmbunătățirea nu numai a științei, ci și a serviciilor pentru factorii de decizie [4].

Informări, avertizări și atenționări privind fenomenele periculoase de scurtă durată

Sunt avertizări emise pentru zone mai mari, cu câteva ore sau chiar cu 24 de ore înainte de începerea fenomenelor vizate, pentru a anunța din timp populația asupra potențialelor pericole din cauza fenomenelor meteorologice. Datorită complexității fenomenelor avertizate, dar și al dinamicii acestora, o astfel de avertizare poate cuprinde mai multe mesaje, fiecare având notate ora de începere și finalizare a fenomenelor avertizate, tipul acestora și, mai pe larg, un text care este explicativ. În România, codurile de culoare ale avertizărilor generale au următoarea semnificație:

În ceea ce privește fenomenele avertizate, acestea urmează să se producă pe arii relativ extinse (60-70% din suprafața avertizată) sau extinse (peste 70%) în zona avertizată și cuprind: intensificări ale vântului cu viteze de peste 54 km/h (54-90 km/h galben, 90-108 km/h portocaliu, peste 108 km/h roșu), cantități de precipitații însemnate în decurs de 24 de ore (peste 25 l/mp, cu posibilitatea de a fi depășite izolat cu până la 50% din valoarea maxima a pragului, dar și de a diminua pragul în funcție de factorii agravanți existenți - precipitațiile din zilele precedente sau topirea stratului de zăpadă), descărcări electrice și grindină, ninsoare consistentă (începând de la peste 10cm în 24 de ore în zonele joase și 20cm în cele înalte), viscol (ninsoare însoțită de vânt cu viteza la rafală de 50-70 km/h, care determină o vizibilitate de sub 100m), temperaturi minime extreme (în zonele joase sub -15 grade cel puțin 2 zile consecutive), temperaturi maxime extreme (cod galben: cuprinsă între 37-39 de grade pentru sudul Banatului, Oltenia, Muntenia, Dobrogea și 35-37 de grade pentru restul teritoriului; cod portocaliu; cuprinsă între 39-42 de grade pentru sudul Banatului, Oltenia, Muntenia, Dobrogea și 37-39 de grade pentru restul teritoriului; cod roșu; peste 42 de grade pentru sudul Banatului, Oltenia, Muntenia, Dobrogea și peste 39 de grade pentru restul teritoriului, atunci când aceste valori se ating două zile consecutiv, cu posibilitatea diminuării pragurilor în cazul în care intervalul de caniculă este mai mare de trei zile - val de căldură), polei (ce urmează a se produce pe arii extinse în zona avertizată) și ceață (atunci când vizibilitatea este sub 200m)

Dacă primele avertizări aveau forma mai simplă din Figura 1, acestea nu includeau codurile de culoare și erau emise de fiecare Serviciu Regional de Prognoză a Vremii (SRPV) pentru regiunea deservită, în timp forma acestora s-a modificat, incluzând acum atât mesajul general emis de Centrul Național de Prognoze Meteorologice (CNPM), cât și Detalierea regională emisă la nivel de SRPV, așa cum se vede în Figura 2.

Procedura de elaborare a mesajelor de informare, atenționare sau avertizare presupune ca mesajul elaborat de către Administrația Națională de Meteorologie (ANM) prin Centrul Național de Prognoză Meteorologică (CNPM) să fie dublat de un mesaj numit Detaliere Regională, care este elaborat de fiecare SRPV. În mesajul de Detaliere Regională, fiecare SRPV precizează evoluția fenomenelor vizate de către mesajul emis de CNPM pentru regiunea pe care o deservește și intervalul de valabilitate specific zonei sale (care trebuie să se încadreze în intervalul de valabilitate al mesajului emis de CNPM) și va fi transmis către instituțiile din zona deservită de fiecare Centru Meteorologic Regional (CMR), respectiv prefecturi, ISU județene, Administrații Bazinale de Apă. Un exemplu de avertizare generală arată complexitatea acestora, în încercarea de a cuprinde la nivel național, întreaga paletă a fenomenelor periculoase ce urmează a fi avertizate, o avertizare putând include trei sau chiar patru mesaje separate, așa cum este ilustrat în Figura 2.

Figura 2 - Model de avertizare generală, emis în cursul anului 2021, cu Detalierea Regională pentru Transilvania-Sud (sursa : ANM)

Avertizări de tip nowcasting

Termenul de nowcasting a fost definit inițial de Keith Browning în timpul primului simpozion despre nowcasting [7] ca "descrierea stării actuale a vremii în detaliu și predicția schimbărilor care pot fi așteptate pe o scală de timp de câteva ore", apoi ca o prognoză limitată pentru perioade mai mici de câteva ore (prognoză 0-3 ore) [8]. Ulterior, Grupul de lucru al OMM privind cercetarea în previziune a definit nowcasting ca fiind prognozarea la nivel local, prin orice metodă, pe o perioadă cu până la 6 ore înainte, ce va include inclusiv o descriere detaliată a vremii prezente [9]. Odată cu evoluția modelelor de arie limitată și a transmiterii foarte rapide a datelor de la stațiile de suprafață, RADAR, satelitare și de fulgere, prognoza cu o acuratețe rezonabilă a fenomenelor la scară mică, cum ar fi furtunile individuale, s-a îmbunătățit simțitor.

Prognoza de tip nowcasting este necesară pentru previziuni ale vremii cu impact puternic, în timp util, pentru o anumită locație, care sunt relevante atât pentru publicul larg, cât și pentru multe alte sectoare, activități și în evenimente sportive în aer liber, aviație, industria construcțiilor, utilitățile electrice, transportul terestru, care au nevoie de informații actualizate frecvent despre situațiile meteorologice actuale și viitoare. Nowcastingul joacă un rol din ce în ce mai important în managementul riscului de dezastre și prevenirea riscurilor. Grupurile speciale de utilizatori au nevoi pentru proiectarea în timp a parametrilor diferiți sau suplimentari. De exemplu, pentru sectorul energiei regenerabile, prognozarea cât mai precisă a vântului la înălțimea turbinelor eoliene și iradierea solară pe părțile laterale ale centralelor solare sunt esențiale.

Meteorologul previzionist de nowcasting face mai întâi diagnoza stării prezente a atmosferei și apoi o prognoză pentru următoarele 0...3 ore. Partea de diagnoză trebuie să cuprindă nu numai descrierea stării atmosferei, ci și înțelegerea mecanismelor care au condus la aceasta. Prognoza meteorologică pe foarte scurtă durată se va face fie prin metoda extrapolării liniare, fie folosind modele conceptuale (mezoscalare, RADAR, satelitare, de fulgere, climatologice etc.), pentru a anticipa evoluția unor structuri ce au fost identificate în etapa de diagnoză [10].

În cazul când se observă producerea inevitabilă a unor fenomene periculoase, de exemplu, a începerii dezvoltării unor structuri convective potențial periculoase sau a intensificării unor fenomene meteorologice periculoase, vor fi emise avertizări de tip nowcasting. Fenomenele meteorologice prognozate includ furtuni (inclusiv fenomene asociate, cum ar fi fulgere, grindină, vânt puternic cu potențial distructiv, precipitații abundente, tornade), precipitații abundente (inundații fulgerătoare), vânt puternic, vizibilitate scăzută/ceață, tipul de precipitații pe timp de iarnă, depuneri de gheață sau polei.

Avertizările de tip nowcasting sunt avertizări emise pe o perioadă de 30 minute până la 6 ore. La emiterea lor se folosesc produsele RADAR, precum și cele satelitare, ținând cont și de variația parametrilor meteorologici măsurați la stațiile meteorologice (variația direcției și intensificarea vântului, variația presiunii aerului și a temperaturii, apariția fenomenelor orajoase, evoluția norilor). Avertizările privind instabilitatea atmosferică se emit pe perioade mai scurte, în funcție de evoluția sistemelor convective care pot suferi rapid modificări importante. În schimb cele pentru ceață și intensificări ale vântului se pot emite pe o perioadă mai lungă (până la 6 ore) și cu anticipație mai mare, fiind mai ușor predictibile.

Radarul și rețeaua de detectare a fulgerelor reprezintă deci două surse principale de date disponibile meteorologilor previzioniști în timp real, ce pot fi utilizate pentru stabilirea activității furtunilor convective. Radarul, în general, indică ultimele procese care au loc în interiorul unei furtuni convective, în timp ce datele de fulgere pot furniza informații despre aceste procese în timp ce ele au loc, deoarece fulgerele reprezintă un răspuns imediat la modificările produse câmpului electric de elementul convectiv [11]. Odată cu apariția pe radar a semnalelor ce arată dezvoltarea unor formațiuni periculoase, este emisă avertizarea nowcasting pentru regiunea observată și cea în care se consideră că se vor deplasa structurile observate, precum se vede în Figurile 3 și 4 [12].

Figura 3 - Câmp de reflectivitate la prima elevație, radar WSR 98D Medgidia, 28.08.2004 . Stânga : ora 09.02 UTC, structura super-celulară în apropiere de Constanța, care a produs tromba de la Mamaia și ecoul arcuit (bow-echo) aflat pe mare. Dreapta : fuzionarea celor două structuri convective (12) (sursa : ANM)

Figura 4 - Date radar Medgidia, 28.08.2004, ora 14.36 UTC. Stânga: reflectivitatea la prima elevație, cu două supercelule în nordul imaginii, din care una cu reflectivitate foarte mare, peste 65 dBZ, în zona comunei Pantelimon și o structura arcuită (bow-echo) în apropiere de litoral. Dreapta : câmp de viteză Doppler, cu evidențierea structurii mezoscalare supercelulare (12) (sursa : ANM)

Clasificarea furtunilor convective în funcție de fenomenele asociate se face anticipând apariția a cel puțin unuia dintre următoarele fenomene meteorologice: descărcări electrice, cantitate însemnată de apă acumulată (sau reflectivități peste 50dBZ), probabilitate de grindină de anumite dimensiuni (folosind algoritmi radar), vânt puternic (peste 15 m/s) și în rafale (vijelie). Probabilitatea de apariție a fenomenelor asociate (grindină, intensificări de vânt, descărcări electrice) va fi considerată astfel: condiții (probabilitate între 10 și 40 %), posibil (între 40 și 70%), foarte probabil (peste 70%). Din totalul avertizărilor nowcasting emise, cele mai multe vizează fenomenele de instabilitate atmosferică (asociată cu grindină, descărcări electrice), intensificări ale vântului, ceață și mult mai puține pentru polei și depuneri de zăpadă.

Primele avertizări nowcasting, emise experimental în perioada 2004, apoi în flux operativ din anul 2005, aveau o formă simplificată, ce nu conținea codurile de culoare. Înscrierea localităților pentru care era emisă avertizarea se făcea manual, identificându-le de pe harta regiunii și cu ajutorului aplicației OmnixWeather. Ulterior a început folosirea codurilor de culoare, iar forma avertizărilor s-a modificat. Avertizările pot fi emise pentru unul sau mai multe fenomene periculoase, la nivelul unuia sau mai multor județe. La emiterea avertizărilor nowcasting se utilizează ROMSYS - o aplicație conectată la sistemul RO-ALERT, folosind marcarea zonei avertizate printr-un poligon care nu este limitat la granițele județelor din cadrul unui Centru Meteorologic Regional (Figura 5).

Dintre fenomenele meteorologice ce pot fi prognozate nowcasting se numără și tornadele. Deși mai puțin manifeste în țara noastră, ele au existat și au fost consemnate și în trecut. Primul raport de tornadă din România este de la începutul secolului al XIX-lea, la 4 iunie 1822, lângă Timișoara, dar tornadele au fost observate mai înainte, fiind denumite ca balaur sau solomonar [14]. Cea mai puternică tornadă din România, consemnată în arhive, considerată a fi fost de grad F3 pe scara Fujita, a avut loc pe 13 mai 1912, lângă Dej; șase persoane și-au pierdut viața și alți 50 au fost răniți, iar pagubele au fost însemnate în cinci sate. O tornadă de gradul F3 este o tornadă severă cu viteza vântului între 252 - 330 km/h.

Pe 12 august 2002 s-a produs o altă tornadă de grad F3, la Făcăeni (județul Ialomița). Efectele acestei tornade pe raza comunei Făcăeni, pe parcursul a 2 minute, au fost de 33 de case rase complet, 395 de case distruse parțial, 14 persoane grav rănite, 3 morți, 1000 de persoane sinistrate, o pădure de salcâmi de 120 de ha distrusă prin ruperea copacilor la circa 1m de suprafața solului. Tornada s-a produs chiar în perioada pregătirii meteorologilor previzioniști pentru noile tehnici de nowcasting, fiind prima tornadă la care s-a făcut verificarea în teren, alături de Leslie Lemon, unul dintre cei mai importanți specialiști în meteorologia radar și a furtunilor convective severe [15].

Caracterul comunitar și unitar al prognozelor și avertizărilor

Din anul 2007 Romania face parte din grupul celor 29 de țări care au aderat la "meteoalarm" [16], unde se găsesc cele mai relevante informații privind condițiile meteorologice extreme din Europa. Meteoalarm (www.meteoalarm.org) este site-ul web care integrează toate informațiile importante despre vremea severă provenite de la Serviciile Meteorologice Naționale oficiale din 37 de țări europene. Aceste informații sunt prezentate în mod consecvent pentru a asigura o interpretare coerentă cât mai largă posibil în întreaga Europă.

Site-ul web este dezvoltat pentru EUMETNET (Rețeaua Serviciilor Meteorologice Europene) - un grup format din 31 de Servicii Meteorologice și Hidrologice Naționale europene și 6 membrii cooperanți. Serviciile Meteorologice și Hidrologice Naționale (SMMH) din toate țările participante furnizează informațiile lor despre alerte pentru a fi adunate și prezentate în cadrul sistemului Meteoalarm. Gradul alertelor atribuite în Meteoalarm, împreună cu simbolurile aferente și alte informații mai detaliate provin doar de la Serviciile Naționale și sunt responsabilitatea deplină și în proprietate intelectuală a acestora.

Semnificația culorilor

Semnificația simbolurilor

Simbolurile de culoare folosite sunt ușor de înțeles și definesc parametrii de avertizare preconizați să provoace o situație periculoasă. Harta disponibilă la adresa www.meteoalarm.org arată distribuția spațială a situației reale date de avertizările emise. Informații detaliate despre avertizări se obțin dând clic pe hartă. Avertizările nu sunt emise de toate țările pentru toți parametrii.

Avertismentele timpurii salvează vieți și bunuri. Sistemele îmbunătățite de avertizare timpurie a mai multor feluri de pericole au condus la o reducere semnificativă a mortalității în ultimii ani. Inteligența artificială completează acum ingeniozitatea umană. Supercalculatoarele și tehnologia prin satelit au facilitat progrese uriașe în capacitatea noastră de prognoză și apariția unor servicii adaptate utilizatorului. Alertele de pe telefonul mobil și aplicațiile meteo ajung chiar și în zonele îndepărtate. Deși doar 40% dintre membrii OMM au sisteme de avertizare timpurie pentru mai multe pericole, existând lacune mari în observațiile meteorologice în special în țările în Africa și statele insulare mici în curs de dezvoltare, există o puternică coordonare internațională, regională și națională, însoțită de mobilizarea activă a comunității, pentru îmbunătățirea acestora.

Sistemul global de alertă pentru pericole multiple (Global Multi-hazard Alert System - GMAS) al OMM urmărește să abordeze provocările prin creșterea disponibilității avertizărilor și informațiilor autorizate de la Centrul de informare pentru vreme severă al OMM și să sprijine acțiunile timpurii privind emiterea alertelor de vreme severă. GMAS urmărește să valorifice și să consolideze sistemele naționale de avertizare timpurie și autoritățile de alertare, capacitatea și investițiile, precum și cooperarea transfrontalieră. Acesta încorporează așa-numitul protocol comun de alertă - avertismente automate și standardizate, care sunt potrivite pentru toate pericolele și toate mediile de telecomunicații și care comunică fapte cheie, cum ar fi: Ce este? Unde este? Cât de curând este? Cât de rău este? Ce ar trebui să facă oamenii?, experiența arătând că simbolurile de avertizare simple și codurile de culoare sunt foarte eficiente [17].

Proiectul WeaMyL este finanțat prin mecanismul Granturilor Norvegiene, cu numărul RO-NO-2019-0133, contract 26/2020 (eng. The research leading to these results has received funding from the NO Grants 2014-2021, under Project contract no. 26/2020)