ETHs datorgrafikspecialister har analyserat molnbildning och luftflöde i högupplösta vädersituationer och visualiserat en högupplöst vädersituation i 3D. Flygindustrin och meteorologer kan kanske dra nytta av denna visualiseringsmetod i framtiden.

Visualisering spelar en stor roll i studiet av väderdata, såsom temperatur, lufttrycket och molnvatteninnehållet i atmosfären. Att visa dessa data grafiskt är ganska naturligt, eftersom den har tydliga rumsliga referenspunkter och är mycket enkel att lägga på kartor.

Tvådimensionella representationer är för närvarande standarden inom meteorologi, både i forskning och för väderprognoser. Dessa enkla visualiseringar är tillräckliga i de flesta fall. Dock, vissa processer, såsom den vertikala bildandet av moln över tid, är svåra att studera i två dimensioner.

Tredimensionell molnvisualisering

Det är därför datorgrafikspecialister i ett team ledd av ETHs datavetenskapsprofessor Markus Gross har utvecklat tillvägagångssätt baserade på numeriska vädersimuleringar för att visualisera bildandet och dynamiken hos moln och luftströmmar tredimensionellt med hög upplösning.

Forskarna presenterade sitt arbete vid två internationella expertkonferenser. Enligt Tobias Günther, en senior vetenskapsman i Gross team, de nya 3D-visualiseringsmetoderna togs emot väl av deltagarna. För sin kandidatuppsats, Noël Rimensberger, övervakad av Günther, utvecklat och utökat metodiken och beräknat visualiseringarna på datorn.

Rimensbergers visualiseringar var baserade på vind, moln- och regndata görs fritt tillgängliga för forskarvärlden som en del av den internationella IEEE Scientific Visualization Contest. Den underliggande simuleringen återskapar väderförhållandena på kvällen den 26 april 2013 och utvecklades som en del av ett storskaligt meteorologisk forskningsprojekt kallat HD(CP)², där mer än 100 forskare från 19 institutioner deltog.

Datavetenskapsstudenten kombinerade befintliga algoritmer för att visualisera molnbildning och luftströmmar, tillämpa nya metoder som används inom forskningsområdet vetenskaplig visualisering.

Utforska nya möjligheter

Rimensberger betonar att han var mindre intresserad av att utveckla livskraftiga prediktiva verktyg för meteorologi än av att utforska möjligheterna att "representera väderdata på en relativt enkel, förståeligt sätt". Värdet för vetenskapen är att 3-D-grafiken avslöjar något som inte syns med 2-D-grafik, och därmed ge en bättre helhetsbild.

Till exempel, Rimensbergers visualiseringar visar hur moln bildas över Tyskland och förändras över tiden, hur de förs uppåt av uppströmmar och sedan transporteras av vindar i troposfären mer än 10 kilometer över marken. Molnzoner med identiskt vatten- och isinnehåll visas i olika färger.

Datavetenskapsstudenten analyserade även luftströmmar. Linjerna representerar flygpaketens vägar, och deras färger indikerar hur mycket ett luftpaket roterar runt sin egen axel. Längden på linjerna ger information om tillryggalagd sträcka, och visualiserar därmed flödeshastigheten. Stigande moln skapar turbulenser som orsakar starkare virvel eller förändringar i banan. Båda kan avläsas från väglinjerna.

Rimensberger överlagrade också flygvägarna för passagerarflygplan som lyfter på molnformationssimuleringarna. "Jag ville ta reda på om och hur stormzoner påverkar flygtrafiken, " han säger.

Flygvägarna för flygplan som lyfter från Frankfurt, dock, korsa rakt igenom de simulerade åskväderscellerna. Bara ett plan, lyfter från München, undviker bara en regncell över Regensburg. Rimensberger drar slutsatsen att stormarna inte var tillräckligt starka för att motivera omläggning av flygtrafiken eller att för lite mätdata fanns tillgängligt.

De nya visualiseringarna förenklar klassificeringen av molnformationer eftersom de kan "avslöja" moln som inte går att observera från satelliter ovanför eller från marken. En jämförelse med dagens konventionella 2D-kategorisering visade att de nya algoritmerna även kan avslöja staplade molnstrukturer.

Avslöjar dolda strukturer

"Det vetenskapliga värdet av vår visualisering ligger i det faktum att vi gör något synligt som var omöjligt att se med de befintliga verktygen, " säger Rimensberger. Den är inte riktigt redo för realtidssimuleringar, dock. Komplex grafik som luftströmmarna över hela Tyskland, till exempel, har ännu inte blivit konventionell praxis. "De beräkningar som krävs för detta är fortfarande för långsamma. Vi försöker förbättra detta med bättre algoritmer, ", tillägger Günther. "Men det skulle vara möjligt att integrera några av visualiseringarna eller, till exempel, molnklassificeringar till befintliga verktyg nu."

För flygledning, visualisering av regioner med turbulens eller regioner med stark uppgång och stormutveckling kan också vara av intresse.

Uppföljningsprojekt är planerade eller redan pågår, såsom interaktiv analys av stora meteorologiska datamängder. Datorgrafikspecialisterna arbetar också med att göra nyckelstrukturer i denna data mer synliga och påskynda de komplexa visualiseringarna av luftströmmar. Och vem vet, kanske en dag kommer TV-väderpresentatören att peka på 3-D väderkartor baserade på ETH:s algoritmer.