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2019-10-09 08:33:27

NASA小型卫星可通过GPS辅助飓风预报

连续飞行的八枚公文包大小的卫星可能是改善飓风风速预测的关键-检测飓风将降落为1类还是5类。NASA的旋风全球导航卫星系统(CYGNSS)机队于2016年发射旨在显示您的手机用于导航的相同GPS信号是否可用于测量飓风或台风中的深风。答案似乎是肯定的。

天气预报模型在预测飓风或台风的未来轨迹方面已经变得更好,但在预测其最大风速(科学家称之为强度)方面并没有改善。这是因为这些热带巨人受到外部力量(例如区域风)的操纵,但是它们的强度取决于每次风暴中的力量。尽管许多卫星可以看到外部风,但是却看不到飓风的浓云和雨水。

CYGNSS首席研究员,密歇根大学安娜堡分校的克里斯托弗·拉夫(Christopher Ruf)解释说:“要预测强度,您必须在暴风雨期间立即测量风速,直到CYGNSS为止,除此以外别无他法飞行的飓风猎人飞机。”

事实证明,新的CYGNSS数据与2017年飓风玛丽亚,艾尔玛和何塞同时采集的飓风亨特数据非常匹配。八颗小型卫星彼此之间仅相距12分钟的间隔运行,它们在每次风暴中收集的数据比在飓风猎人飞行期间收集的数据还要多。

如何看透雨云

为了观察大气层,许多地球观测卫星发出的电磁信号的波长仅为几分之一英寸长。对于这些短波信号,细雨,灰尘或任何其他空气传播颗粒的斑点是不可穿透的障碍。尽管波长比这些微小的粒子长,但它们的大小足够接近,足以使信号从粒子中弹起,就像台球与另一个球碰撞一样。通过“读取”这些分散的信号,研究人员可以辨别信号进入的云层和其他障碍物的形状和位置。

换句话说,短波长可使研究人员看到风暴,但看不到风暴。

CYGNSS使用GPS信号。它们的波长长7.5英寸(19厘米),远比大多数卫星仪器使用的短波长或任何雨滴要长。在这样的波长下,拉夫说:“您根本看不到雨滴。您可以直接穿过雨滴。”这使CYGNSS能够透视飓风并测量海面的风。

由美国空军操作的GPS卫星的轨道要比CYGNSS机群高得多。当GPS卫星飞过热带气旋时,其信号不受阻碍地通过风暴并从海面反弹。CYGNSS的向下看的GPS接收器在其较低轨道上能够拦截向上返回的信号。这些反弹信号中的失真表明海洋有多崎rough,使研究人员能够计算出引起崎roughness不平的风速。

将信号转化为测量

自发射以来,CYGNSS的8颗小型卫星运行良好,但任务科学家在将GPS信号处理成风速数据的过程中遇到了重大障碍。在设计任务时,科学家假设GPS信号以恒定的强度广播。但是,当科学家开始收集数据时,他们发现大多数GPS卫星的信号功率在每个轨道上都会发生变化,并且变化程度因卫星而异。这些变化使CYGNSS卫星的强风测量速度提高了11 mph(18 kph)。

鲁夫说:“我们花了一年或更长的时间解决这个问题,终于找到了答案。”“基本上,当美国空军穿越世界上某些地方的人试图堵塞信号时,它们会打开电源。”较强的信号更难阻塞。

CYGNSS团队了解此问题后,便找到了解决方法。每个CYGNSS卫星不仅携带一个主要的GPS接收器来收集从地球表面反射回来的信号,而且还携带一个次要的较小的接收器,用于定位和跟踪。该团队对较小的接收器进行了重新编程,以测量来自架空的广播信号的强度,从而为它们提供了正确处理从下方返回的信号所需的信息。

解决了该问题后,研究人员可以着手评估CYGNSS数据将如何影响飓风预报。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)使用同一飓风模型的研究版本进行实验,科学家将CYGNSS数据添加到了2017年两个著名风暴哈维和艾尔玛飓风的重建中。CYGNSS数据的加入不仅对风暴强度,而且对风暴的轨迹和结构产生了更现实的预测。其他研究表明,对不同风暴的预报也有类似的改进。

意外的水红利

令Ruf惊讶的是,CYGNSS被证明具有不可预见的应用。CYGNSS团队计划在卫星飞越陆地时例行关闭其接收器,但该团队决定通过让卫星一直收集数据来简化其操作。加利福尼亚帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的两名博士后学生决定研究陆地上的数据。鲁夫说:“真的很幸运,但是事实证明,利用土地数据可以测量土壤湿度和洪水的各种科学。”

由于以前的学生Clara Chew(科罗拉多州博尔德大学大气研究公司)和Hugo Carreno-Luengo(西班牙巴塞罗那)已经证明了数据的价值,因此NASA现在正式扩大了任务范围,并邀请了科学团队重新定义了任务目的。随着八颗小型CYGNSS卫星不断观察热带风暴中的隐蔽风,可能还有其他应用正在等待发现。

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