Studium jevů na horní hranici oblačnosti konvektivních bouří

• Název práce v češtině: Studium jevů na horní hranici oblačnosti konvektivních bouří
• Název v anglickém jazyce: Occurence and properties of the phenomena on the cloud top of convective storms
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky atmosféry (32-KFA)
• Vedoucí / školitel: doc. Mgr. Jiří Mikšovský, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 16.09.2022
• Datum zadání: 16.09.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 20.09.2022
• Konzultanti: Mgr. Jakub Seidl, Ph.D.

Zásady pro vypracování

The main focus of this work will be to evaluate the potential of machine learning methods using data from geostationary and polar meteorological satellites, with possible outreach to other meteorological applications. The work will involve the application and comparison of different machine learning methods (e.g. decision trees, SVMs, neural networks, etc.) and the selection of the most suitable one for each specific application. The goal of the work will be to find models with reasonable accuracy or to develop predictive models with potential for operational use.

Seznam odborné literatury

[1] Adler, R. F., Fenn, D. D. a Moore, D. A. (1981). Spiral feature observed at top of rotating thunderstorm. Monthly Weather Review, 109(5), 1124–1129. doi: 10.1175/1520-0493(1981)109<1124:SFOATO>2.0.CO;2. URL https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109<1124:SFOATO>2.0.CO;2.

[2] Homeyer, C. R., Bowman, K. P., Pan, L. L., Zondlo, M. A. a Bresch, J. F. (2011). Convective injection into stratospheric intrusions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 116(D23), n/a–n/a. ISSN 2156-2202. doi:10.1029/2011JD016724. URL http://dx.doi.org/10.1029/2011JD016724.D23304.

[3] Kaňák, J., Bedka K. M, Sokol, A. (2012). MATURE CONVECTIVE STORMS AND THEIR OVERSHOOTING TOPS OVER CENTRAL EUROPE – OVERSHOOTING TOP HEIGHT ANALYSIS FOR SUMMERS 2009-2011. Conference: 2012 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference

[4] Levizzani, V. a Setvák, M. (1996). Multispectral, high-resolution satellite observations of plumes on top of convective storms. Journal of the Atmospheric Sciences, 53(3), 361–369. doi: 10.1175/1520-0469(1996)053<0361:MHRSOO>2.0.CO;2. URL https://doi.org/10.1175/1520-0469(1996)053<0361:MHRSOO>2.0.CO;2.

[5] Tinney, Emily & Homeyer, Cameron. (2021). A 13‐year Trajectory‐Based Analysis of Convection‐Driven Changes in Upper Troposphere Lower Stratosphere Composition Over the United States. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 126. 10.1029/2020JD033657.

[6] Wang, P. K. (2003). Moisture plumes above thunderstorm anvils and their contributions to cross-tropopause transport of water vapor in midlatitudes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D6), n/a–n/a. ISSN 2156-2202. doi: 10.1029/2002JD002581. URL http://dx.doi.org/10.1029/2002JD002581. 4194.

Předběžná náplň práce

Studium jevů na horní hranici oblačnosti (HHO) konvektivních bouří je důležité pro lepší pochopení fyzikálních procesů probíhajících uvnitř bouře, a také toho, jakým způsobem bouře ovlivňuje své okolí. Mezi tyto jevy patří např. přestřelující vrcholy, které jsou jednoznačným projevem výstupného proudu (updraftu) na HHO. Na základě četnosti přestřelujících vrcholů a jejich dalších parametrů jako je jejich výška nad kovadlinou lze usuzovat na sílu updraftu, a tedy i nebezpečnost bouře. Podrobnou analýzou výšek přestřelujících vrcholů nad kovadlinou bouří se zabýval např. autoři v práci [3], kde současně navrhují několik možností, jak jejich práci vylepšit, např. využitím prostorově detailnějších dat z polárních družic nebo dat s kratším časovou frekvencí, tzv. služba Rapid Scan. V blízké době přibude také možnost využití dat z plánovaných družic Meteosat třetí generace. Dalším projevem updraftu konvektivních bouří na HHO jsou např. vlečky (plumes nebo above-anvil plumes), které jsou spojovány s transportem vlhkosti do spodní stratosféry viz [1], nebo [2], [4], [5], [6]. I v tomto případě, ale i v případě dalších jevů na HHO bouří jako jsou studené prstence a studené U/V je žádoucí detekce a podrobné studium těchto jevů a statistiky jejich výskytu. V současné době metody strojového učení nabízí hned několik přístupů, jak podobné úlohy řešit.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Occurence and properties of the phenomena on the cloud top (CT) of convective storms can reveal information about the physical processes within the storm, and the way how the storm affects its surroundings. These phenomena include, for example, overshooting tops, which are a clear manifestation of the presence of updraft at the CT. Based on the frequency of occurrence of the overshooting tops and their height above the anvil, the strength of the updraft and therefore the hazard of the storm can be inferred. A detailed analysis of the heights of the overshooting tops above the storm anvil was performed for instance in [3], where the authors also suggest several ways to improve their work, mainly by using spatially more detailed data from polar-orbiting satellites or data with higher sampling frequency, the so-called Rapid Scan service. In the near future it will be also possible to improve such analysis using the new higher-resolution higher-frequency data from the third-generation Meteosat satellites. Another manifestation of updrafts of convective storms on the CT are plumes and above-anvil plumes, which are associated with moisture transport into the lower stratosphere see [1], or [2], [4], [5], [6]. In this case as well as in the case of CT storm phenomena called cold rings and cold U/V, detection and detailed study of these phenomena and their statistics is crucial for future studies. Currently, machine learning methods offer several approaches to solve such problems.