Algoritmit täsmentävät säämallien tietoja lumesta

11.9.2020
Niilo Siljamo kehitti väitöstyössään kaksi tuotetta, joiden avulla satelliittihavainnoista saadaan automaattisesti entistä tarkempaa tietoa lumipeitteestä. Tietoa tarvitaan säämalleihin, jotka ovat meteorologien työväline sääennusteen laatimisessa.

Maan pinnalla sääasemilla tehtyjen havaintojen avulla lumisen alueen reunan automaattinen tarkka paikantaminen on vaikeaa. Satelliittihavaintojen avulla sääasemien havaintoverkon katveita voidaan täyttää ja saada laajempi ja tarkempi kuva lumitilanteesta.

Ilmatieteen laitoksen tutkija Niilo Siljamo kehitti väitöskirjatyössään kaksi automaattista lumituotetta, joita voidaan käyttää esimerkiksi säämallien analyysivaiheessa. Tuotteiden käyttämät tiedot saadaan Euroopan sääsatelliittijärjestö EUMETSATin Meteosat- ja Metop-satelliiteista.

Virheettömyys on tärkeää

Lumisen ja lumettoman maanpinnan automaattinen tunnistaminen on haastava tehtävä opetettavaksi tietokoneille, koska ohutkin lumikerros pitäisi kyetä tunnistamaan luotettavasti myös viistosta kuvakulmasta maastossa, jossa on mm. metsiä ja vesistöjä. Matalalta paistava aurinko luo lisäksi maastoon varjoja. Sääsatelliittien kuvissa tällaiset yksityiskohdat eivät erotu, mutta ne on silti kyettävä ottamaan huomioon.

Säämallien kehittäjille on tärkeää, että havaintoaineisto on mahdollisimman virheetöntä, vaikka se tarkoittaisi sitä, että suurempi osa alueesta jää luokittelematta. Väitöstyössä kehitetyt algoritmit ovat ns. on/off-tuotteita, jotka kertovat, onko satelliittiaineiston pikseli luminen vai lumeton.

”Jos pikseliä ei voida luokitella riittävän varmasti kummaksikaan, se jätetään luokittelematta, olipa syynä sitten pilvet, hämärä tai kasvillisuus. Tämä vähentää virheitä verrattuna tuotteisiin, joissa pilvetön alue luokitellaan aina joko lumiseksi tai lumettomaksi”, Niilo Siljamo kertoo.

Koska optisilla kanavilla ei nähdä pilvien läpi, usein vastaavissa tuotteissa etsitään ensin pilvettömät alueet, jotka sitten luokitellaan.

”Pilvien tunnistuksen rajoitukset ja virheet kertautuvat lumituotteissa, mutta tässä menetelmässä nämä vältetään”, Niilo Siljamo tiivistää.

Tuotteita testataan käytännössä

Tutkijalle on antoisaa, kun tutkimuksen tulokset päätyvät käytäntöön. Iso-Britannian ilmatieteen laitos (UK Met Office) on testannut Siljamon kehittämää toisen sukupolven Meteosat-satelliittien SEVIRI-mittausinstrumentin lumituotetta. Testit osoittivat, että tuote parantaa säämallin lumianalyysiä.

”Tämänhetkisen tiedon mukaan tuote ollaan marraskuussa ottamassa käyttöön Met Officen omassa säämallissa”, Niilo Siljamo kertoo.

Ilmatieteen laitoksen omassa säämalliryhmässä tutkitaan parhaillaan Metop-satelliitin AVHRR-lumituotteen muunnelmaa ja sen sopivuutta säämalleihin. Vastaavat lumituotteet on tarkoitus kehittää myös tuleville Euroopan sääsatelliittijärjestö EUMETSATin satelliiteille: maanpinnan suhteen paikallaan pysyvälle MTG-satelliiteille ja polaarirataa kiertävälle Metop-SG-satelliiteille. Ensimmäiset satelliiteista laukaistaan lähivuosina, ja ne ovat käytössä 2040-luvulle asti.

Väitöskirja tarkastetaan 18.9. Helsingissä

Niilo Siljamo väittelee 18.9.2020 kello 13 Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa aiheesta "Empirical Approach to Satellite Snow Detection" (Empiirinen lähestymistapa satelliittilumentunnistukseen). Väitöstilaisuus järjestetään Porthaniassa (Auditorio P674), osoitteessa Yliopistonkatu 3, Helsinki.

Vastaväittäjänä on professori, Dr Patricia de Rosnay (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, UK), ja kustoksena toimii professori Heikki Järvinen.

Tilaisuutta voi seurata myös etänä. Salasana: 445544.

Niilo Siljamo kirjoitti ylioppilaaksi Lappeenrannan lyseon lukiosta 1987. Filosofian maisteriksi hän valmistui Helsingin yliopistosta 1995.

Lisätietoja

tutkija Niilo Siljamo, Ilmatieteen laitos, p. 029 539 4153, niilo.siljamo@fmi.fi

Väitöskirja on saatavilla Helda-palvelussa.