Deep 3D scattering of solar radiation in the atmosphere due to clouds

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η επίδραση των νερών στην ηλιακή ακτινοβολία είναι ένας από τους κορυφαίους φυσικούς μηχανισμούς στη διαμόρφωση του κλίματος. Για το λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί τρισδιάστατα μοντέλα (3D) διάδοσης της ακτινοβολίας για την προσομοίωση της απορρόφησης/σκέδασης. Κατά την τελευταία δεκαετία, οι τεχνολογικές βελτιώσεις οδήγησαν στη χρήση συστημάτων ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (AllAkyImagers, ASIs) για την ανίχνευση/χαρακτηρισμό των νεφών καθώς και για την παροχή δεδομένων για τη δομή του τρισδιάστατου νέφους. Επιπλέον, τα νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης έχουν αποδειχθεί πολύ πρόσφατα ότι μπορούν να προβλέψουν ικανοποιητικά την κατανομή της ακτινοβολίας σε τεχνητά σύννεφα.

Το D3D στοχεύει να διεξάγει καινοτόμο έρευνα στην 3Dεπίδραση των νεφών στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα συνδυάζοντας: 3D ανακατασκευασμένα πεδία νέφους και μετρήσεις ακτινοβολίας από ASIs, ακτινοβολίες από ένα 3Dμοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας και νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης για εκτίμηση ακτινοβολιών σε διάφορες συνθήκες νέφωσης.

Για πρώτη φορά, ακολυθείται μια διττή προσέγγιση: i) συνδυασμός εκτιμήσεων απεικόνισης από ASIsμε 3Dμοντέλα διάδοσης ακτινοβολίας, ii) συνέργεια των δύο πρώτων με νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης για εκτιμήσεις με μεγαλύτερη ταχύτητα.

Το D3D αποτελείται από 6 Πακέτα Εργασίας (WPs).

Το WP1 αφορά την εγκατάσταση, τη γεωμετρική και ραδιομετρική βαθμονόμηση των ASIs και του ακτινομετρικού δικτύου. Όλες οι διαδικασίες βαθμονόμησης έχουν ακολουθηθεί και τα όργανα επίγειας (ASI, πυρανόμετρα, φασματοφωτόμετρα) έχουν εγκατασταθεί με επιτυχία.

Το WP2 αναφέρεται στον προσδιορισμό των ατμοσφαιρικών παραμέτρων (οπτικό βάθος νέφους/αιωρούμενων σωματιδίων, ακτινοβολίες) και την τρισδιάστατη ανακατασκευή του νέφους από το δίκτυο μέτρησης. Οι αντίστοιχοι αλγόριθμοι έχουν αναπτυχθεί για την εξαγωγή αυτών των παραμέτρων από τα ASIs. Επιπλέον, έχουν χρησιμοποιηθεί συγχρονισμένες εικόνες ASI και στερεοσκοπικές τεχνικές για την τρισδιάστατη ανακατασκευή της νέφωσης.

Το WP3 στοχεύει στην εγκατάσταση, επικύρωση και αξιολόγηση του 3Dμοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας και την ανακατασκευή της νέφωσης. Έχει χρησιμοποιηθεί το μοντέλο MYSTIC, που αναπτύχθηκε ως μέθοδος υπολογισμού των ακτινοβολιών σε τρισδιάστατη ατμόσφαιρα. Το μοντέλο έχει χρησιμοποιηθεί για περιπτώσεις τεχνητής νέφωσης. Σε αυτό το στάδιο, τα δεδομένα από επιλεγμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες (WP2) χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου στο MYSTIC, έτσι ώστε οι προκύπτουσες πολικές ακτινοβολίες να αξιολογηθούν έναντι των εκτιμώμενων από τα ASIs και το ακτινομετρικό δίκτυο.

Το WP4 αναφέρεται στα νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης που θα χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των  ακτινοβολιών σε νεφελώδεις συνθήκες με γρήγορους ρυθμούς. Τα νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης έχουν χρησιμοποιηθεί για τηνεκτίμηση των ακτινοβολιών σε τεχνητές συνθήκες νέφωσης. Σε μεταγενέστερο στάδιο, τα αποτελέσματα του MYSTIC και οι μετρήσεις της ακτινοβολίας θα χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισόδου στα νευρωνικά δίκτυα και θα αξιολογηθεί η απόδοσή τους.

Τα WP 5 και 6 αφορούν τη διάδοση των αποτελεσμάτων και στη διαχείριση του D3D. Έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές ενέργειες διάδοσης ενώ η διαχείριση του έργου λειτουργεί σε μεγάλη συμφωνία με τον αρχικό  σχεδιασμό.

Τέλος, παρουσιάζεται ο αντίκτυπος του έργου, όπως περιγράφεται στο Τεχνικό Δελτίο του έργου, τόσο από επιστημονική όσο και από κοινωνική άποψη. 

WP1 : Establishment of and ready-to-use the ground-based network

Εγκατάσταση, γεωμετρική και ραδιομετρική βαθμονόμηση για τις συσκευές ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (AllSkyImagers, ASIs), εγκατάσταση υπόλοιπων οργάνων του δικτύουμετρήσεων.

WP2 : Measuring campaign and analysis of results

Το αντικείμενο του WP2 είναι ο προσδιορισμός ατμοσφαιρικών παραμέτρων (οπτικό βάθος νέφους/αεροζόλ, ακτινοβολίες)και η τρισδιάστατη ανακατασκευή της νέφωσης από το δίκτυο μέτρησης.

WP3 : 3D radiative transfer modelling

Αντικείμενο του WP3 είναι ο προσδιορισμός ατμοσφαιρικών παραμέτρων (οπτικό βάθος νέφους/αιωρούμενων σωματιδίων, ακτινοβολίες) και η 3Dανακατασκευή της νέφωσης. Στο πλαίσιο αυτό απαιτείται η εγκατάσταση, επικύρωση και αξιολόγηση 3D μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας.

WP4 : Deep learning neural networks in 3D radiative transfer

Αντικείμενο του WP4 είναι η ανάπτυξη, αξιολόγηση και αποτίμηση των πλεονεκτημάτων και των αδυναμιών στην μεθοδολογία εκτίμησης της ηλιακής ακτινοβολίας εφαρμόζοντας τεχνικές βαθιάς μηχανικής μάθησης (deeplearning).

WP5 : Dissemination of the project results

Αντικείμενο του WP5 είναι η διάχυση των αποτελσμάτων του έργου στο επιστημονικό και ευρύ κοινό.

WP6 : Project Management

Αντικείμενο του WP6 είναι η διασφάλιση της ομαλής και αποτελεσματικής εφαρμογής του προγράμματος εργασίας του έργου για την επίτευξη αποτελεσμάτων με έγκαιρο, οικονομικά αποδοτικό και επιστημονικά ορθό τρόπο.

Σε αυτό το πλαίσιο, περιλαμβάνονται όλες οι διοικητικές και οικονομικές υποχρεώσεις, η καθημερινή διαχείριση των δραστηριοτήτων σύμφωνα με το πρόγραμμα εργασίας, οι συναντήσεις, ο εντοπισμός κρίσιμων παραγόντων και η διαχείριση κινδύνων, αλλά και η επικοινωνία με όλα τα μέλη της ομάδας και επιστήμονες από τους συνεργαζόμενους οργανισμούς.