Os especialistas em computação gráfica da ETH analisaram a formação de nuvens e o fluxo de ar em situações climáticas de alta resolução e visualizaram uma situação climática de alta resolução em 3-D. A indústria da aviação e os meteorologistas podem se beneficiar desse método de visualização no futuro.

A visualização desempenha um grande papel no estudo de dados meteorológicos, como temperatura, pressão do ar e o conteúdo de água da nuvem na atmosfera. Exibir esses dados graficamente é bastante natural, uma vez que tem pontos de referência espaciais claros e é muito simples de sobrepor em mapas.

As representações bidimensionais são atualmente o padrão em meteorologia, tanto em pesquisas quanto para fins de previsão do tempo. Essas visualizações simples são adequadas na maioria dos casos. Contudo, alguns processos, como a formação vertical de nuvens ao longo do tempo, são difíceis de estudar em duas dimensões.

Visualização tridimensional da nuvem

É por isso que os especialistas em computação gráfica em uma equipe liderada pelo professor de ciência da computação da ETH, Markus Gross, desenvolveram abordagens baseadas em simulações numéricas do tempo para visualizar a formação e a dinâmica de nuvens e correntes de ar tridimensionalmente em alta resolução.

Os pesquisadores apresentaram seus trabalhos em duas conferências internacionais de especialistas. De acordo com Tobias Günther, um cientista sênior da equipe de Gross, os novos métodos de visualização 3D foram bem recebidos pelos participantes. Para sua tese de bacharelado, Noël Rimensberger, supervisionado por Günther, desenvolveu e ampliou a metodologia e calculou as visualizações no computador.

As visualizações de Rimensberger foram baseadas no vento, dados de nuvens e chuva disponibilizados gratuitamente para a comunidade científica como parte do concurso internacional de visualização científica IEEE. A simulação subjacente recria as condições meteorológicas na noite de 26 de abril de 2013 e foi desenvolvida como parte de um projeto de pesquisa meteorológica em grande escala denominado HD (CP) ², no qual participaram mais de 100 pesquisadores de 19 instituições.

O estudante de ciência da computação combinou algoritmos existentes para visualizar a formação de nuvens e correntes de ar, aplicando métodos recentes usados ​​no campo de pesquisa de visualização científica.

Explorando novas possibilidades

Rimensberger enfatiza que estava menos interessado em desenvolver ferramentas preditivas viáveis ​​para meteorologia do que em explorar as possibilidades de "representar dados meteorológicos de uma forma relativamente simples, compreensível ". O valor para a ciência é que os gráficos 3-D revelam algo que não é visível nos gráficos 2-D, e, assim, fornecer uma imagem geral melhor.

Por exemplo, As visualizações de Rimensberger mostram como as nuvens se formam sobre a Alemanha e mudam com o tempo, como eles são carregados para cima por correntes ascendentes e, em seguida, transportados por ventos na troposfera a mais de 10 quilômetros acima do solo. As zonas de nuvem com um conteúdo idêntico de água e gelo são mostradas em cores diferentes.

O estudante de ciência da computação também analisou as correntes de ar. As linhas representam os caminhos dos pacotes aéreos, e suas cores indicam o quanto um pacote aéreo gira em torno de seu próprio eixo. O comprimento das linhas fornece informações sobre a distância percorrida, e, assim, visualiza a velocidade do fluxo. Nuvens ascendentes criam turbulências que causam vorticidade mais forte ou mudanças na trajetória. Ambos podem ser lidos nas linhas de caminho.

Rimensberger também sobrepôs as trajetórias de vôo de aeronaves de passageiros decolando nas simulações de formação de nuvens. "Eu queria descobrir se e como as zonas de tempestade afetam o tráfego aéreo, " ele diz.

As trajetórias de vôo dos aviões decolando de Frankfurt, Contudo, atravesse as células simuladas de tempestade. Apenas um avião, decolando de Munique, apenas evita uma célula de chuva sobre Regensburg. Rimensberger conclui que as tempestades não foram fortes o suficiente para justificar o redirecionamento do tráfego aéreo ou que poucos dados de medição estavam disponíveis.

As novas visualizações simplificam a classificação das formações de nuvens, pois podem "revelar" nuvens que são inobserváveis ​​de satélites acima ou do solo. Uma comparação com a categorização 2-D convencional de hoje mostrou que os novos algoritmos também podem revelar estruturas de nuvem empilhadas.

Revelando estruturas ocultas

"O valor científico da nossa visualização está no fato de que tornamos algo visível que era impossível ver com as ferramentas existentes, "diz Rimensberger. Não está totalmente pronto para simulações em tempo real, Contudo. Gráficos complexos como os das correntes de ar em toda a Alemanha, por exemplo, ainda não se tornaram prática convencional. "Os cálculos necessários para isso ainda são muito lentos. Estamos tentando melhorar isso com algoritmos melhores, "acrescenta Günther." Mas seria possível integrar algumas das visualizações ou, por exemplo, classificações de nuvem em ferramentas existentes agora. "

Para controle de tráfego aéreo, a visualização de regiões de turbulência ou regiões com fortes correntes ascendentes e desenvolvimento de tempestades também podem ser de interesse.

Projetos de acompanhamento estão planejados ou já em andamento, como a análise interativa de grandes conjuntos de dados meteorológicos. Os especialistas em computação gráfica também estão trabalhando para tornar as estruturas-chave nesses dados mais visíveis e acelerar as visualizações complexas das correntes de ar. E quem sabe, talvez um dia o apresentador do tempo da TV aponte para mapas do tempo em 3-D com base nos algoritmos da ETH.