Σχεδιασμός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης και αντιμετώπισης ακραίων καιρικών φαινομένων με χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών και μετεωρολογικών ραντάρ.

Abstract

Τα πλημμυρικά φαινόμενα παρουσιάζονται με μεγαλύτερη συχνότητα αλλά και ένταση στην εποχή μας. Η κλιματική αλλαγή είναι ο παράγοντας εκείνος που προκαλεί την συχνότερη και εντονότερη εμφάνιση των συγκεκριμένων φαινομένων. Οι οικονομικές συνέπειες αλλά και οι απώλειες σε ανθρώπινες ζωές τα τελευταία χρόνια στην Ευρωπαϊκή Ένωση ήταν σημαντικές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το ύψος των συνολικών οικονομικών απωλειών για τα κράτη που απαρτίζουν τον ΕΟΧ-33 που ξεπέρασαν τα 345 δισεκατομμύρια ευρώ και οφείλονταν τόσο σε υδρολογικά όσο και μετεωρολογικά γεγονότα, κατανεμημένα ισόποσα. Στην Ελλάδα από το 1980 έως και το 2017 καταγράφηκαν 2.431 θάνατοι από τα ακραία καιρικά φαινόμενα. Για την μείωση των ακραίων καιρικών φαινομένων και πιο συγκεκριμένα της έντονης βροχόπτωσης που μπορεί να προξενήσει πλημμύρες, μια σύγχρονη μέθοδος είναι η τροποποίηση των μετεωρολογικών συστημάτων που την προκαλούν μέσω της χρήσης Συστημάτων Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) σε συνδυασμό με φορητό ραντάρ. Παρότι από την δεκαετία του 2010 έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιηθεί σε πειραματικές εφαρμογές αρκετά ΣμηΕΑ σταθερής πτέρυγας, δεν έχουν αξιοποιηθεί στην ίδια κλίμακα τα ελικοφόρα. Ως εκ τούτου, σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο σχεδιασμός ενός ολοκληρωμένου συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης και αντιμετώπισης των ακραίων καιρικών φαινομένων με τη χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών (ελικοφόρων) και κινητού επίγειου μετεωρολογικού ραντάρ. Στην παρούσα διατριβή γίνεται μιας εκτενής αναφορά σε υφιστάμενες τεχνολογίες τροποποίησης των καιρικών φαινομένων που βρίσκονται είτε σε πειραματικό στάδιο είτε έχουν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα και αναλύονται τόσο οι μέθοδοι όσο και τα υλικά που χρησιμοποιούνται κατά την εφαρμογή στο νέφος της κάθε τεχνολογίας. Η βιβλιογραφική έρευνα έδειξε ότι τα ελικοφόρα ΣμηΕΑ αποτελούν μια ενδιαφέρουσα λύση καθώς παρέχουν την δυνατότητα προσέγγισης του νέφους με ακρίβεια. Επιπροσθέτως, παρέχουν την δυνατότητα της αιώρησης (hovering) η οποία παρέχει βέλτιστα αποτελέσματα κατά την απελευθέρωση του ψεκαστικού διαλύματος στοχευμένα στο σημείο που υπάρχει η μεγαλύτερη συγκέντρωση μέσα στο νέφος. Επιπλέον, ο συνδυασμός του συγκεκριμένου ΣμηΕΑ με το φορητό ραντάρ, παρέχει εξαιρετικά αποτελέσματα τόσο για την έγκαιρη ανίχνευση του νέφους όσο και για την σταθερή παρακολούθηση του. Ως εκ τούτου στην παρούσα διπλωματική διατριβή παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα που έχει ως σκοπό τόσο την πρόβλεψη των ακραίων καιρικών φαινομένων όσο και την μείωση των επιπτώσεων τους μέσω της τροποποίησης των καιρικών φαινομένων. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν περιλαμβάνουν την ανάλυση SWOT για την ανάλυση του εσωτερικού αλλά και εξωτερικού περιβάλλοντος, καθώς επίσης την περίοδο αποπληρωμής (Payback Period - PP), το λογιστικό ρυθμός απόδοση χρημάτων (Accounting Rate of Return - ARR), την καθαρή παρούσα αξία (Net Present Value - NPV), τον εσωτερικό ρυθμό απόδοσης (Internal Rate of Return - IRR), και τον δείκτη κερδοφορίας (Profitability Index - PI) για την οικονομοτεχνική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου συστήματος. Επιπροσθέτως, υπολογίστηκαν οι αποσβέσεις παγίων στοιχείων αλλά και το νεκρό σημείο της συγκεκριμένης εφαρμογής ως μέτρο σύγκρισης με τα προαναφερόμενα εργαλεία χρηματοοικονομικής αξιολόγησης. Επιπλέον, γίνεται καθορισμός του βέλτιστου σημείου ανάπτυξης του ραντάρ αλλά και του ΣμηΕΑ με χρήση GIS για την αξιοποίηση στο έπακρο της εμβέλειας τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μελέτη περίπτωσης εφαρμογής του συστήματος στο Ν. Χανίων, καθώς και οικονομικά στοιχεία από τα καταστροφικά φαινόμενα που έπληξαν το νομό τα τελευταία 20 έτη. Ακολουθεί μια εκτενείς ανάλυση των επιμέρους τμημάτων που αποτελούν το ολοκληρωμένο σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης και αντιμετώπισης των ακραίων καιρικών φαινομένων με εκτενή ανάλυση των επιμέρους τμημάτων που αποτελούν το ΣμηΕΑ καθώς και αναλυτική κοστολόγηση τους. Επιπλέον, παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής, όπου αποτυπώνονται οι ενέργειες με την σειρά που λαμβάνουν χώρα με σκοπό την ολοκλήρωση μιας πλήρως διαδικασίας του ολοκληρωμένου συστήματος και αφού έχουν όλα τα επιμέρους τμήματα διασυνδεθεί. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της μελέτης περίπτωσης, όπου υπολογίστηκαν οι αξίες και οι αποσβέσεις των τμημάτων του ολοκληρωμένου συστήματος σε βάθος 39 ετών. Το συγκεκριμένο εγχείρημα κατά την φάση του σχεδιασμού του, έχει ήδη προβεί στη στοχοθέτηση των ενεργειών που πρέπει να λάβουν χώρα, κατατάσσοντας τις με βάση το χρόνο υλοποίησης τους σε βραχυχρόνιους, όπου αναλύονται σε παραγωγικούς, οικονομικούς και κοινωνικούς στόχους αλλά και στρατηγικούς στόχους.

Flood events occur with greater frequency and intensity in recent years. Climate change is the factor that causes the most frequent and intense occurrence of those events. The economic consequences and the losses in human lives years in the European Union have been significant in recent years. A typical example is the amount of total economic losses for the EEA-33 countries, which exceeded 345 billion euros and were due to both hydrological and meteorological events, distributed equally. In Greece from 1980 to 2017, 2,431 deaths were recorded from extreme weather events. To reduce extreme weather events and more specifically heavy rainfalls that can cause floods, a modern method is to modify the meteorological systems that causes them using Unmanned Aircraft Systems (UAVs) in combination with mobile X-band radar. Although several fixed-wing UAVs have been developed and used in experimental applications since the 2010s, copters have not been utilized on the same scale. Therefore, the purpose of this dissertation is to design an integrated system for early warning and response to extreme weather events using unmanned aerial vehicles (copters) and mobile ground meteorological radar. This thesis makes an extensive reference to existing weather modification technologies that are either in the experimental stage or have been applied on a large scale and analyze both the methods and materials used in the application of each technology in the cloud. The literature review showed that UAV copters are an interesting solution as they provide the ability to approach the cloud with precision. In addition, they provide the possibility of hovering which provides optimal results when releasing the spray solution targeted at the point where there is the greatest concentration in the cloud. In addition, the combination of this UAVs with the portable radar, provides excellent results both for the timely detection of the cloud and for its constant monitoring. Therefore, in this dissertation, an integrated system that aims at both the prediction of extreme weather events and the reduction of their effects through the modification of weather events is s presented. The tools used include the SWOT analysis for the analysis of the internal and external environment, as well as the repayment period (Payback Period - PP), the accounting rate of return (ARR), the net present value (Net Present Value (NPV), the Internal Rate of Return (IRR), and the Profitability Index (PI) for the economic and technical evaluation of the integrated system. In addition, the depreciation of fixed assets and the deadlock of this application were calculated as a measure of comparison with the financial valuation tools. In addition, the optimal point of development of the radar and the UAVs is determined using GIS for the maximum utilization of their range. A case study of the implementation of the system in the Prefecture of Chania is presented, including financial data from the catastrophic events that have affected the prefecture in the last 20 years. Furthermore, an extensive analysis of the individual components that constitute the integrated system of early warning and response to extreme weather events with an extensive analysis of the individual components that constitute the UAVs as well as their detailed costing are presented. In addition, a flowchart which shows the actions that take place for a complete process of the integrated system and after all the individual components have been interconnected is developed. Finally, the conclusions of the case study are presented, where the values and depreciation of the parts of the integrated system at a depth of 39 years were calculated. During the design phase of this project, we have targeted the actions that need to take place, classifying them based on their implementation time into short-term, where they are analyzed in productive, economic, and social goals as well as strategic goals.