Detectie van zomerhagel met Radar
Iwan Holleman / Hans Beekhuis
Inhoud:
Introductie:
Per 1 mei 2001 zal het eerste onderdeel van het nieuwe op-radar-gebaseerde waarschuwingsproduct, de detector van zomerhagel, operationeel zijn. Er zal dan elk kwartier een overzicht van de gedetecteerde hagel op het Meteorologisch Werkstation (MWS) zichtbaar zijn. Afgelopen zomer is een prototype van het hagelproduct reeds zichtbaar geweest via het intranet. De gegevens, die tijdens deze semi-operationele run zijn verzameld, zijn gebruikt voor een uitgebreide verificatie van het zomerhagelproduct. Uit de verificatie blijkt dat het nieuwe product, ook in (semi-)operationele context, op betrouwbare wijze zomerhagel detecteert.
Methode van Waldvogel:
Eind jaren zeventig ontwikkelden Waldvogel et al. een methode voor de detectie van hagel die naast radardata ook informatie over de temperatuursverdeling in de atmosfeer gebruikt. In de onderstaande figuur is een verticale dwarsdoorsnede door drie-dimensionale scandata van de radar in De Bilt weergegeven, ook wel een Range-Height-Indicator (RHI) genoemd.
De azimut waarbij deze verticale dwarsdoorsnede is genomen, is 187 graden zodat deze dwarsdoorsnede vanuit De Bilt over Noord-Brabant richting België loopt. Deze figuur geeft een goed beeld van de verticale structuur van een onweersbui die zich op 8 augustus 1999 om 16:34 UTC boven Baarle-Nassau bevond. In de figuur zijn tevens een aantal niveaus aangegeven, onder andere: de hoogte waarop de zogeheten pCAPPI-doorsnede, zeg maar het "normale radarbeeld", wordt gemaakt, de hoogte van het vriesniveau (H_T0) en de grootste hoogte waarop nog een reflectiviteit van 45 dBZ( (overeenkomend met ongeveer 25 mm/h) wordt waargenomen (H_Z45). Het is duidelijk dat een pCAPPI-doorsnede slechts zeer beperkte tot geen informatie over de verticale structuur van de onweersbui bevat. De hageldetectie methode van Waldvogel berust op de constatering dat de aanwezigheid van hoge radarreflectiviteiten en dus van veel vloeibare (en vaste) waterdeeltjes op grote hoogte in de atmosfeer een aanwijzing is voor een sterke opwaartse beweging. Op het moment dat er reflectiviteiten van 45 dBZ en hoger ver boven het vriesniveau worden waargenomen en er zich dus grote hoeveelheden onderkoeld of bevroren water hoog in de atmosfeer bevinden is de kans op de aanwezigheid of vorming van hagel groot. Uiteindelijk kwamen Waldvogel et al. tot de conclusie dat er een kans is op de aanwezigheid van hagel wanneer de radarreflectiviteit van 45 dBZ 1.4 km of meer boven het vriesniveau uitsteekt en dat deze kans groter wordt naarmate die hoge reflectie verder boven het vriesniveau uitsteekt.
Verificatie:
Er is een systematische vergelijking uitgevoerd van de hagelwaarnemingen door de op-radar-gebaseerde detectiemethode met die aan het aardoppervlak. Hiervoor zijn de beschikbare radardata van een aantal geselecteerde dagen uit de zomer van 1999 en van alle dagen tussen mei en september 2000 gebruikt. Het verzamelen van hagelwaarnemingen aan de grond over deze periodes was een groter probleem. Omdat zomerhagel over het algemeen een zeer lokaal verschijnsel is, wordt het bijna altijd gemist door het waarneemnetwerk van de 19 bemande synop stations. In het zomerseizoen van 1999 is door dit netwerk in totaal slechts 14 keer hagel waargenomen en tijdens de zomer van 2000 maar 26 keer. Om een betere landelijke dekking te krijgen zijn ook hagelwaarnemingen door de 325 vrijwillige neerslagwaarnemers van het KNMI meegenomen. Bovendien zijn meldingen van hagelschade bij drie grote agrarische verzekeringsmaatschappijen tijdens de zomers van 1999 en 2000 verzameld. De meldingen van hagelschade aan agrarisch goed zullen zeker niet homogeen over Nederland verdeeld zijn, maar deze inhomogeniteit kan in rekening worden gebracht door naar de verdeling van het bodemgebruik te kijken. Ondanks de uitgebreide zoektocht naar grondwaarnemingen van zomerhagel, zal de dataset met de grondwaarnemingen nog steeds niet helemaal compleet zijn. Dit leidt uiteindelijk tot een onderschatting in de verificatie van de werkelijke prestaties van het zomerhagelproduct.
In deze figuur zijn de resultaten van de uitgebreide verificatie tijdens de zomer van 2000 weergegeven. Alleen de dagen waarop het vriesniveau hoger lag dan 2 km zijn meegenomen om mogelijke gevallen van winterhagel (kleine hagel op grote schaal) uit te sluiten. De groene lijn laat het verloop van de detectiewaarschijnlijkheid (POD) zien, en de rode lijn het verloop van het aantal verkeerde waarschuwingen (FAR). Deze figuur laat duidelijk zien dat een hoge POD samen gaat met een hoge FAR, en een lage FAR met een lage POD. De blauwe lijn laat het verloop van de Critical-Success-Index (CSI), welke een maat is voor de totale presetatie van de methode, zien. De CSI is maximaal bij een waarschuwingsdrempel van 1.75 km.
Implementatie:
In mei van 2001 is het hagel detectie product gebaseerd op de methode van Waldvogel operationeel geworden. Er wordt nu elk kwartier een radar composiet, met zowel de radar van De Bilt als die van Den Helder, met de 45dBZ echotoppen geproduceerd. Bovendien worden er elke 3 uur hoogtekaarten van het vriesniveau berekend uit Hirlam forecasts (+3h,+6h). Wanneer er een 45dBZ echo aanwezig is in het radarbeeld, wordt het verschil tussen de hoogte van deze echo en de hoogte van het vriesniveau bepaald. Met behulp van de verificatie resultaten over de zomer van 2000, kan dit hoogteverschil worden omgerekend naar de waarschijnlijkheid op de aanwezigheid van hagel (POH). De POH is namelijk direct gekoppeld aan de FAR.
In bovenstaande figuur is de POH weergegeven als functie van de waarschuwingsdrempel, oftewel het verschil tussen de hoogte van de 45dBZ echo en de hoogte van het vriesniveau. Er is een rechte lijn gefit aan de POH curve. De coefficienten van deze lijn (offset: 0.319, slope: 0.133) worden gebruikt in het operationele zomerhagelproduct om een waargenomen hoogteverschil te vertalen in een waarschijnlijkheid op de aanwezigheid van hagel (POH).
Dagoverzichten:
Voor het beantwoorden van vragen bij de Klimatologische Dienst (WM/KD) en voor het doen van verificatie, worden de 96 hageldetectiebeelden per dag samengevoegd in een hageldagoverzicht. Dit gadoverzicht wordt samengesteld door voor ieder pixel de maximale waarschijnlijkheid op de aanwezigheid van hagel (POH) welke die dag is opgetreden te bepalen.
Bovenstaande figuur is een voorbeeld van zo'n hageldagoverzicht voor 8 augustus 1999. Er zijn duidelijk een aantal hagelsporen van trekkende onweersbuien te zien. Door het 15 minuten tijdsverschil tussen opeenvolgende hageldetectiebeelden die zijn gebruikt om dit beeld samen te stellen, is er een duidelijk springende beweging van de hagelcellen. Voor gebruik van deze beelden door derden is daarom een methode ontwikkeld voor interpolatie tussen de opeenvolgende beelden.
De constructie van de hageldagoverzichten met behulp van interpolatie
gebeurt in drie stappen. Als eerste worden hagelcellen gedetecteerd in alle 96
hageldetectiebeelden met behulp van een patroonherkenningstechniek. Hagelcellen
worden gedetecteerd via een recursief algoritme welke naast-elkaar-liggende
pixels met een waarde boven een bepaalde drempel zoekt. Voor iedere
gedetecteerde hagelcel worden de gemiddelde positie en het aantal pixels
opgeslagen. Vervolgens, worden de gedetecteerde cellen in opeenvolgende
hagelbeelden aan elkaar gematched. Voor ieder paar hagelcellen in opeenvolgende
beelden wordt de verplaatsingsvector/snelheid berekend. De verplaatingsvector
(Vd) wordt vergeleken met de (voorspelde) Hirlam wind vector op 700 hPa (V700).
De kwaliteit van de cel-match wordt uitgedrukt met een kwaliteitsindex:
| | Vd - V700 | | |
| Q = | ---------- |
| | V700 | |
Hagelcellen worden gematched als de kwaliteitsindex kleiner is dan 1. Bovendien, wordt een match met een grotere cel geprefereerd boven een match met een kleinere cel. Als laatste, wordt de interpolatie uitgevoerd tussen gematchde cellen door in kleine stapjes de beide cellen naar elkaar toe te bewegen en voor iedere pixel weer de maximaal opgetreden waarde te bepalen. In de bovenstaande figuur is een voorbeeld van een geinterpoleerd dagoverzicht weergegeven. Hagelcellen die niet gematched zijn worden gewoon weergegeven in het dagoverzicht.
Voorbeelden:
In onderstaande figuur is het resultaat van de hagel detectiemethode van
Waldvogel weergegeven voor hetzelfde tijdstip en dezelfde datum als
bovenstaande verticale dwarsdoorsnede. In Baarle-Nassau en omgeving, is
inderdaad een onweersbui met hagel waargenomen en deze produceerde hagel met een
diameter van maximaal 3.5 cm.
Een recenter voorbeeld is hieronder afgebeeld. Het einde van de warme, bijna tropische periode in de eerste helft van mei van 2000 ging vergezeld van zware onweersbuien. Op verschillende locaties is hagel gemeld, ten zuiden van Dordrecht, bijvoorbeeld, is hagel gemeld rond dit tijdstip met een diameter van 2-4 cm.
Terug naar de index
Hans Beekhuis