Gli specialisti di computer grafica dell'ETH hanno analizzato la formazione delle nuvole e il flusso d'aria in situazioni meteorologiche ad alta risoluzione e hanno visualizzato una situazione meteorologica ad alta risoluzione in 3-D. L'industria aeronautica e i meteorologi potrebbero trarre vantaggio da questo metodo di visualizzazione in futuro.

La visualizzazione svolge un ruolo enorme nello studio dei dati meteorologici, come la temperatura, la pressione atmosferica e il contenuto di acqua della nube dell'atmosfera. La visualizzazione grafica di questi dati è abbastanza naturale, poiché ha punti di riferimento spaziali chiari ed è molto semplice da sovrapporre alle mappe.

Le rappresentazioni bidimensionali sono attualmente lo standard in meteorologia, sia nella ricerca che ai fini delle previsioni meteorologiche. Queste semplici visualizzazioni sono adeguate nella maggior parte dei casi. Però, alcuni processi, come la formazione verticale delle nuvole nel tempo, sono difficili da studiare in due dimensioni.

Visualizzazione tridimensionale del cloud

Questo è il motivo per cui gli specialisti di computer grafica in un team guidato dal professore di informatica dell'ETH Markus Gross hanno sviluppato approcci basati su simulazioni meteorologiche numeriche per visualizzare la formazione e la dinamica delle nuvole e delle correnti d'aria tridimensionalmente ad alta risoluzione.

I ricercatori hanno presentato il loro lavoro a due conferenze internazionali di esperti. Secondo Tobias Gunther, uno scienziato senior nel team di Gross, i nuovi metodi di visualizzazione 3D sono stati ben accolti dai partecipanti. Per la sua tesi di laurea, Noel Rimensberger, supervisionato da Gunther, sviluppato e ampliato la metodologia e calcolato le visualizzazioni sul computer.

Le visualizzazioni di Rimensberger erano basate sul vento, dati relativi a nuvole e pioggia resi disponibili gratuitamente alla comunità scientifica nell'ambito dell'IEEE Scientific Visualization Contest internazionale. La simulazione sottostante ricrea le condizioni meteorologiche della sera del 26 aprile 2013 ed è stata sviluppata nell'ambito di un progetto di ricerca meteorologica su larga scala chiamato HD(CP)², a cui hanno partecipato più di 100 ricercatori di 19 istituzioni.

Lo studente di informatica ha combinato algoritmi esistenti per visualizzare la formazione delle nuvole e le correnti d'aria, applicando metodi recenti utilizzati nel campo di ricerca della visualizzazione scientifica.

Esplorare nuove possibilità

Rimensberger sottolinea che era meno interessato allo sviluppo di strumenti predittivi praticabili per la meteorologia che all'esplorazione delle possibilità di "rappresentare i dati meteorologici in un modo relativamente semplice, modo comprensibile". Il valore per la scienza è che la grafica 3D rivela qualcosa che non è visibile con la grafica 2D, e quindi fornire un quadro generale migliore.

Per esempio, Le visualizzazioni di Rimensberger mostrano come le nuvole si formano sulla Germania e cambiano nel tempo, come vengono trasportati verso l'alto dalle correnti ascensionali e poi trasportati dai venti nella troposfera a più di 10 chilometri dal suolo. Le zone nuvolose con lo stesso contenuto di acqua e ghiaccio sono visualizzate in colori diversi.

Lo studente di informatica ha anche analizzato le correnti d'aria. Le linee rappresentano i percorsi delle particelle d'aria, ei loro colori indicano quanto una particella d'aria ruota attorno al proprio asse. La lunghezza delle linee fornisce informazioni sulla distanza percorsa, e quindi visualizza la velocità del flusso. Le nuvole ascendenti creano turbolenze che causano vortici più forti o cambiamenti di traiettoria. Entrambi possono essere letti dalle linee del percorso.

Rimensberger ha anche sovrapposto le traiettorie di volo degli aerei passeggeri in decollo alle simulazioni di formazione delle nuvole. "Volevo scoprire se e come le zone di tempesta influenzano il traffico aereo, " lui dice.

Le traiettorie di volo degli aerei in decollo da Francoforte, però, attraversare proprio attraverso le celle temporalesche simulate. Un solo aereo, decollando da Monaco di Baviera, evita solo una cella di pioggia su Ratisbona. Rimensberger conclude che le tempeste non erano abbastanza forti da giustificare la deviazione del traffico aereo o che erano disponibili troppo pochi dati di misurazione.

Le nuove visualizzazioni semplificano la classificazione delle formazioni nuvolose in quanto possono "rivelare" nuvole non osservabili dai satelliti sopra o da terra. Un confronto con l'odierna categorizzazione 2D convenzionale ha mostrato che i nuovi algoritmi possono anche rivelare strutture cloud impilate.

Rivelare strutture nascoste

"Il valore scientifico della nostra visualizzazione risiede nel fatto che rendiamo visibile qualcosa che era impossibile vedere con gli strumenti esistenti, " dice Rimensberger. Non è ancora pronto per le simulazioni in tempo reale, però. Grafiche complesse come quelle delle correnti d'aria in tutta la Germania, Per esempio, non sono ancora diventati una pratica convenzionale. "I calcoli necessari per questo sono ancora troppo lenti. Stiamo cercando di migliorarlo con algoritmi migliori, " aggiunge Günther. "Ma sarebbe possibile integrare alcune delle visualizzazioni o, ad esempio, classificazioni cloud negli strumenti esistenti ora."

Per il controllo del traffico aereo, potrebbe essere interessante anche la visualizzazione di regioni di turbolenza o regioni con forti correnti ascensionali e sviluppo di tempeste.

Progetti di follow-up sono pianificati o già in corso, come l'analisi interattiva di grandi insiemi di dati meteorologici. Gli specialisti della computer grafica stanno anche lavorando per rendere più visibili le strutture chiave di questi dati e velocizzare le complesse visualizzazioni delle correnti d'aria. E chi lo sa, forse un giorno il presentatore meteorologico televisivo indicherà mappe meteorologiche 3D basate sugli algoritmi dell'ETH.