Nuvole nella terza dimensione

Le visualizzazioni giocano un ruolo molto importante nell'indagine di dati meteorologici come la temperatura, la pressione atmosferica o il contenuto d'acqua dell'atmosfera. È anche relativamente facile visualizzare graficamente tali dati, poiché hanno un chiaro riferimento spaziale e possono quindi essere facilmente tracciati su mappe.

Attualmente, le visualizzazioni bidimensionali sono una pratica comune in meteorologia, sia nella ricerca che nelle applicazioni di previsione meteorologica. Di norma, queste semplici visualizzazioni sono sufficienti. Tuttavia, alcuni processi, come lo sviluppo verticale delle nuvole nel tempo, sono difficili da analizzare in due dimensioni.

Visualizzare le nuvole tridimensionalmente

Gli artisti di computer grafica del gruppo del l'ETH Markus Gross hanno quindi sviluppato approcci per visualizzare lo sviluppo e la dinamica delle nuvole e delle correnti d'aria in tre dimensioni ad alta risoluzione sulla base di simulazioni meteorologiche numeriche.

I ricercatori hanno presentato il loro lavoro a due conferenze internazionali, dove il nuovo metodo di visualizzazione 3D è stato ben accolto dal pubblico, afferma Tobias Günther, Senior Scientist di Gross. Noël Rimensberger, uno studente supervisionato da Günther, ha sviluppato e ampliato i metodi come tesi di laurea e ha calcolato le visualizzazioni al computer.

Le visualizzazioni di Rimensberger si basano su dati relativi a vento, nuvole e pioggia che sono stati messi liberamente a disposizione della comunità scientifica nell'ambito di un concorso internazionale di visualizzazione, l'IEEE Scientific Visualisation Contest 2017. La simulazione sottostante ricrea le condizioni meteorologiche della sera del 26 aprile 2013 ed è stata creata nell'ambito di un progetto di ricerca meteorologica su larga scala chiamato HD(CP)², al quale partecipano oltre 100 ricercatori di 19 istituzioni.

Lo studente di informatica ha combinato gli algoritmi esistenti per visualizzare lo sviluppo delle nuvole e le correnti d'aria, applicando i metodi attuali del campo di ricerca della visualizzazione scientifica.

Esplorare nuove possibilità

Non era tanto interessato a creare strumenti di previsione utili per la meteorologia, quanto a esplorare le possibilità di presentare le condizioni meteorologiche "in modo relativamente semplice e comprensibile", come sottolinea l'autore. Il valore per la scienza è che la grafica 3D rende visibile qualcosa che non è visibile con la grafica 2D, per ottenere una visione d'insieme.

Le visualizzazioni di Rimensberger mostrano come le nuvole si formano sulla Germania e cambiano nel tempo, vengono sponsorizzate dalle correnti ascensionali e infine trasportate a più di 10 chilometri dal suolo dai venti nella troposfera. Le zone nuvolose con un identico contenuto di acqua o ghiaccio sono rappresentate con colori diversi.

Lo studente di informatica ha anche analizzato le correnti d'aria. Le linee rappresentano i percorsi dei pacchetti d'aria e i loro colori indicano la forza con cui un pacchetto 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 in aumento generano turbolenza, che provoca una turbolenza più forte o cambia la loro traiettoria. Entrambe le cose possono essere lette dalle linee di percorso calcolate.

Rimensberger ha anche sovrapposto le traiettorie di volo degli aerei passeggeri in partenza alle simulazioni dello sviluppo delle nuvole. "Volevo scoprire se e come le zone temporalesche influenzano il traffico aereo", spiega.

Tuttavia, le traiettorie di volo degli aerei che decollano da Francoforte attraversano le celle temporalesche simulate. Solo un aereo decollato da Monaco di Baviera evita una cella di pioggia su Chi siamo. Il ricercatore informatico conclude che i temporali non erano abbastanza forti da richiedere uno spostamento del traffico aereo o che i dati di misurazione disponibili erano troppo pochi.

Le nuove visualizzazioni facilitano la classificazione delle formazioni nuvolose perché diventano "visibili" le nuvole che né i satelliti dall'alto né un osservatore a terra possono vedere. Un confronto con la categorizzazione 2D comunemente utilizzata oggi ha dimostrato che i nuovi algoritmi sono in grado di riconoscere anche le strutture nuvolose sovrapposte.

Rivelare l'invisibile

"Il valore scientifico della nostra visualizzazione sta nel fatto che rendiamo visibile qualcosa che non lo è con gli strumenti precedenti", afferma Rimensberger. Tuttavia, i tempi non sono ancora maturi per le simulazioni in tempo reale. Anche grafici complessi come quelli delle correnti d'aria su Chi siamo non sono ancora entrati nella pratica. "Attualmente i calcoli per questo richiedono troppo tempo. Stiamo cercando di abbreviarli con algoritmi migliori", aggiunge Günther. "Tuttavia, alcune visualizzazioni o la classificazione delle nuvole, ad esempio, potrebbero già essere integrate negli strumenti esistenti".

La visualizzazione di regioni di flusso turbolento o di regioni con forte portanza e sviluppo di temporali potrebbe essere interessante anche per il controllo del traffico aereo.

Sono previsti o già in corso progetti di follow-up, come la valutazione interattiva di grandi serie di dati meteorologici. Gli artisti della computer grafica stanno anche lavorando per rendere più visibili le strutture importanti di questi dati e per velocizzare la complessa visualizzazione delle correnti d'aria. Chissà, forse un giorno il meteorologo della TV presenterà mappe meteorologiche in 3D basate sugli algoritmi dell'ETH.