Αρ. ΕΕ - WP Number: 3

Τίτλος ΕΕ - WP Title: WP3 :3D radiative transfer modelling

Έναρξη - Starting Month: 1

Λήξη - Ending Month: 32

Στόχοι ΕΕ - WP Objectives: Εγκατάσταση και χρήση του 3D μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας

Συνοπτική Περιγραφή των Στόχων της ΕΕ -Brief description of the WP’s Objectives

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.

Περιγραφή Εργασίας - Βαθμός Υλοποίησης των Στόχων της ΕΕ - Work Description – Degree of Work Package Objectives Implementation

Σεαυτότο WP, χρησιμοποιείταιοκώδικας MYSTIC (Monte Carlo code for the phYSically correct Tracing ofphotonsInCloudyatmospheres) γιατηνεκτίμησητηςακτινοβολίαςσετρειςδιαστάσεις. Αρχικά, το μοντέλο τρέχει για περιπτώσεις τεχνητών πεδίων νέφωσης με σκοπό την παραγωγή δεδομένων γιαεκπαίδευση/δοκιμή διαφορετικών προσεγγίσεων με τη χρήση νευρωνικών δικτύων βαθιάς μάθησης (WP4),

Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκαν πραγματικές πληροφορίες νέφωσης από τρισδιάστατες ανακατασκευασμένες εικόνες καιέγινε η αξιολόγηση του μοντέλου.

Οι εργασίες του WP έχουνολοκληρωθεί, όπως προέβλεπε το πλάνο υλοποίησης

Ο αλγόριθμος MYSTIC δεν είναι διαθέσιμος στο κοινό, αλλά θα παρέχονταν από την ερευνητική ομάδα του Ludwig-Maximilians-University of Munich (LMU, συνεργαζόμενος οργανισμός σε αυτό το έργο). Ζητήθηκε κατά την έναρξη του έργου και μετά από προτροπή τους, αποφασίστηκε να περιμένουμε τη νέα έκδοση, η οποία θα εμπεριείχε σημαντικές βελτιώσεις. Τελικά ο αλγόριθμος μιας διατέθηκε στον Νοέμβριο του 2022 (Μήνας 6). Για την αποφυγή περαιτέρω καθυστερήσεων, είχε γίνει όλη η σχετική προετοιμασία όσον αφορά το απαραίτητο hardwareαλλά και software. Συγκεκριμένα, εξασφαλίστηκε η διαθεσιμότητα των απαραίτητων workstations, έγινε η εγκατάσταση όλων των συνοδευτικών προγραμμάτων και κωδικών, οι απαραίτητοι έλεγχοι και δοκιμές με 1Dμοντέλο, ώστε να απομένει μόνο η εισαγωγή του 3Dαλγόριθμου και των αντίστοιχων 3Dδεδομένων εισόδου.Στη συνέχεια, υλοποιήθηκε ο σχεδιασμός του συνόλου των δεδομένων του μοντέλου για τεχνητές ατμοσφαιρικές συνθήκες μέσω της μεθόδου Monte Carlo για την ορθή ανίχνευση φωτονίων σε νεφελώδεις ατμόσφαιρες.

Σημαντική για την υλοποίηση του WP ήταν η ανάπτυξη και εφαρμογή μιας μεθοδολογίας για τη δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς για ακτινοβολίες από πολικές γωνίες του ουράνιου θόλου (radiance), βασισμένη σε προσομοιώσεις με το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας MYSTIC και σε πραγματικές παρατηρήσεις από σύστημα all-sky imaging (ASI). Χρησιμοποιήθηκε η επιλεγμένη βάση δεδομένων εικόνων, οι οποίες καλύπτουν ένα εύρος ηλιακών ζενίθιων γωνιών και αντιστοιχούν σε ανέφελες ατμοσφαιρικές συνθήκες, ώστε να διασφαλιστεί η αξιοπιστία της διαδικασίας βαθμονόμησης. Οι επιλεγμένες εικόνες χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο MYSTIC, το οποίο είναι ικανό υπολογίζει τιςradiances για γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές συνθήκες αντίστοιχες με εκείνες των παρατηρήσεων. Οι μοντελοποιημένες ακτινοβολίες συσχετίστηκαν με τις ψηφιακές τιμές των τριών χρωματικών καναλιών (Red, Green και Blue) της sky camera για όμοιες τιμές ηλιακής ζενίθιας γωνίας και οπτικού βάθους αερολυμάτων (AOD). Με βάση τη συσχέτιση που βρέθηκε, η μεθοδολογία εφαρμόστηκε για την παραγωγή χαρτών ακτινοβολίας από τις εικόνες της sky camera.

Λόγω του σημαντικού χρόνου που θα απαιτούνταν για την ολοκλήρωση των παραπάνω 3Dυπολογισμών, ζητήθηκε παράταση του WP. Οι εργασίες του WP έχουνολοκληρωθείκανονικά, όπως προέβλεπε το επικαιροποιημένο πλάνο υλοποίησης.

Παραδοτέα - Deliverables

D3.1: Radiance database from MYSTIC model for artificial atmospheric conditions

D3.2: Radiance database from MYSTIC model for selected measured atmospheric conditions

D3.3: Technical report on validation of MYSTIC model results

Συνοπτική περιγραφή των Παραδοτέων που προέκυψαν από την ΕΕ.

D3.1

Στο συγκεκριμένο παραδοτέο παρουσιάζεται βήμα προς βήμα ο σχεδιασμός του συνόλου των δεδομένων του μοντέλου για τεχνητές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Για τη δημιουργία της βάσης δεδομένων των τεχνητών νεφών εφαρμόζονται διάφορα σενάρια σύννεφων με την μέθοδο Monte Carlo για την ορθή ανίχνευση φωτονίων σε νεφελώδεις ατμόσφαιρες στις οποίες εφαρμόζονται τρισδιάστατες εξισώσεις διάδοσης της ακτινοβολίας μέσω του αλγορίθμου MYSTIC της libRadtran. Οι πληροφορίες των νεφών προέρχονται από τις εικόνες των ASI που έχουμε στο δίκτυο μας.

D3.2

Στο συγκεκριμένο παραδοτέο αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε μια μεθοδολογία για τη βαθμονόμηση δεδομένων all-sky imaging και τη μετατροπή των ψηφιακών τιμών RGB της sky camera σε ποσοτικά μεγέθη κατευθυντικής ακτινοβολίας, με τη χρήση ακτινοβολιών αναφοράς που προκύπτουν από το μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας MYSTIC. Η προσέγγιση βασίστηκε στη σύγκριση πραγματικών μετρήσεων με προσομοιώσεις για επιλεγμένες, μετρούμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες, με έμφαση σε ανέφελες περιπτώσεις.

Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η σχέση μεταξύ των ψηφιακών τιμών της sky camera και των μοντελοποιημένων ακτινοβολιών μπορεί να περιγραφεί ικανοποιητικά μέσω γραμμικής προσέγγισης, εντός του λειτουργικού δυναμικού εύρους του αισθητήρα. Οι υψηλές τιμές του συντελεστή προσδιορισμού (R²) για τα τρία χρωματικά κανάλια επιβεβαιώνουν τη σταθερότητα και τη συνέπεια της διαδικασίας βαθμονόμησης, καθιστώντας εφικτή τη δημιουργία αξιόπιστων χαρτών κατευθυντικής ακτινοβολίας στον ουράνιο θόλο.

Η εφαρμογή της βαθμονόμησης σε πραγματικές εικόνες, τόσο σε καθαρές όσο και σε νεφοσκεπείς συνθήκες, ανέδειξε τη δυνατότητα της sky camera να λειτουργήσει ως ποσοτικό όργανο εκτίμησης της χωρικής κατανομής της ακτινοβολίας. Οι παραγόμενοι χάρτες ακτινοβολίας διατηρούν τη χωρική δομή των αρχικών εικόνων και αναδεικνύουν αναμενόμενα φυσικά χαρακτηριστικά, όπως ενισχυμένη ακτινοβολία στην circumsolar περιοχή και μειωμένες τιμές σε περιοχές σκίασης από πυκνά νέφη.

Η αξιολόγηση της αβεβαιότητας έδειξε ότι η αξιοπιστία της μεθοδολογίας εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη γεωμετρία φωτισμού. Η σύγκριση της υπολογιζόμενης ολικής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος στα τρία κανάλια RGB σε σχέση με τις φασματικές μετρήσεις ως συνάρτηση της ηλιακής ζενίθιας γωνίας, κατέδειξε ότι η διαδικασία βαθμονόμησης είναι περισσότερο αξιόπιστη για μικρές και ενδιάμεσες τιμές SZA, όπου επιτυγχάνεται υψηλός λόγος σήματος προς θόρυβο και περιορίζονται οι αβεβαιότητες γεωμετρικής αντιστοίχισης. Για μεγάλες ζενίθιες γωνίες και περιοχές κοντά στον ορίζοντα, η αβεβαιότητα αυξάνεται συστηματικά, γεγονός που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων.

D3.3

Το συγκεκριμένο παραδοτέο κατέδειξε ότι η συνδυαστική χρήση βαθμονομημένων εικόνων sky camera και προσομοιώσεων του μοντέλου MYSTIC αποτελεί ένα αξιόπιστο και αποτελεσματικό πλαίσιο για την επικύρωση τρισδιάστατων μοντέλων ακτινομεταφοράς σε πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Υπό συνθήκες καθαρού ουρανού, το μοντέλο παρουσίασε εξαιρετική συμφωνία με τις μετρήσεις, αναπαράγοντας με υψηλή ακρίβεια τόσο το επίπεδο όσο και τη γωνιακή κατανομή της ακτινοβολίας στον ουράνιο θόλο. Οι πολύ υψηλές τιμές του συντελεστή προσδιορισμού (R² ≈ 0.94–0.96) για όλα τα χρωματικά κανάλια, σε συνδυασμό με τα περιορισμένα και σταθερά σφάλματα ως συνάρτηση της ηλιακής ζενίθιας γωνίας, επιβεβαιώνουν την ορθότητα της διαδικασίας βαθμονόμησης της κάμερας και την ικανότητα του μοντέλου MYSTIC να περιγράφει αξιόπιστα το ακτινοβολιακό πεδίο σε απουσία νεφών.

Η ανάλυση υπό νεφοσκεπείς συνθήκες ανέδειξε την αναμενόμενη αύξηση της αβεβαιότητας και της διασποράς των σφαλμάτων, λόγω της έντονης χωρικής και φασματικής ανομοιογένειας που εισάγουν τα νέφη. Παρά τη μείωση της γραμμικής συσχέτισης, η γενική μορφή της σχέσης μεταξύ μετρούμενων και μοντελοποιημένων ακτινοβολιών διατηρείται, ιδιαίτερα όταν τα δεδομένα αναλύονται ανά ζώνη ηλιακής ζενίθιας γωνίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μεθοδολογία παραμένει λειτουργική και ποιοτικά αξιόπιστη για μεσαίες ζενίθιες γωνίες και για περιπτώσεις σχετικά ομοιογενούς νεφοκάλυψης.

Ιδιαίτερη σημασία είχε η ανάπτυξη και αξιολόγηση της διαδικασίας ταξινόμησης cloud/clear, καθώς και της Clear Sky Library (CSL). Η δυνατότητα αξιόπιστου εντοπισμού νεφοσκεπών pixels, ακόμη και σε περιοχές κοντά στον ηλιακό δίσκο ή υπό υψηλές ζενίθιες γωνίες, αποδείχθηκε κρίσιμη για τη σωστή ερμηνεία των αποτελεσμάτων και για τον διαχωρισμό σφαλμάτων που οφείλονται σε φυσικούς περιορισμούς της μοντελοποίησης από εκείνα που σχετίζονται με αστοχίες στην ταξινόμηση των δεδομένων.

Παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα, η ανάλυση ανέδειξε και συγκεκριμένους περιορισμούς της προτεινόμενης προσέγγισης. Οι μεγαλύτερες αποκλίσεις μεταξύ μετρούμενων και μοντελοποιημένων ακτινοβολιών εντοπίζονται σε περιπτώσεις υψηλής χωρικής πολυπλοκότητας των νεφών, σε σκηνές με έντονη ανομοιογένεια και κοντά στον ορίζοντα, όπου η οπτική διαδρομή της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα μεγιστοποιείται.

Ορόσημα – Milestones

M3.1: First modeled datasets for artificial atmospheric conditions

M3.2: First modeled datasets for selected measured atmospheric conditions

Συνοπτική περιγραφή των επιτευχθέντων Οροσήμων της ΕΕ.

Το milestoneM3.1ολοκληρώθηκε. Το M3.2 ολοκληρώθηκε κανονικά, βάσει του επικαιροποιημένου πλάνου υλοποίησης του έργου.