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“看”透雨云 测量强风 NASA小卫星辅助飓风预报

发布时间:2019-12-05 13:28来源: 未知
  世界气象组织25日发布新一期《温室气体公报》,指出地球大气中温室气体浓度再次刷新纪录,温室气体水平持续增长已成长期趋势,未来将导致愈发严重的气候变化。
 
  二氧化碳是大气中主要的长效温室气体,可在大气中滞留数百年。公报说,2018年,全球二氧化碳浓度达到407.8ppm(1ppm为百万分之一),是1750年工业化前水平的147%。
 
  世界气象组织秘书长彼得里·塔拉斯在公报发布会上说,尽管各国在应对气候变化的《巴黎协定》中作出承诺,但大气中温室气体水平的增长还没有放缓迹象。他敦促各方更好地将承诺转化为行动。
 
  “值得注意的是,上一次地球出现类似二氧化碳浓度是在300万至500万年前。那时的温度比现在高2至3摄氏度,海平面比现在高10至20米。”塔拉斯说。
 
  连续飞行的8颗小卫星能否成为预测飓风中心风速的关键因素,能够探测飓风登陆时到底是什么级别?答案似乎是肯定的。
 
  2016年,美国国家航空航天局(NASA)发射了飓风全球导航卫星系统(CYGNSS)。事实证明,来自CYGNSS新的数据与同时段“飓风猎人”采集的数据非常匹配。8颗小卫星运行时彼此之间的间隔仅为12分钟,它们收集的数据比在“飓风猎人”飞行期间收集的数据还要多。
 
  如何“看”透雨云
 
  天气预报模式在预测飓风或台风的未来路径方面进展明显,但在预测中心最大风速(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”的强度取决于风暴内在的力量。尽管许多卫星可以看到外部风,却无法看到飓风内部的密云和雨水。
 
  CYGNSS首席调查员、密歇根大学安娜堡分校的克里斯多夫·鲁夫解释:“要预测强度,必须在暴风雨期间立即测量风速,除了驾驶飓风追踪飞机外,还没有一个方法可以完成测算工作。”
 
  为了观察大气层,许多地球观测卫星发出的电磁信号波长仅为几分之一英寸长。对于这些短波信号,细雨、灰尘或任何其他颗粒是无法穿过的障碍。但因为波长比这些微小颗粒长,信号可以从粒子表面弹出,像一个台球撞击另一个球一样。通过读取这些分散的信号,研究人员可以分辨信号进入的云层和其他障碍物的位置。
 
  也就是说,短波长可使科学家看到风暴。但是仍然无法“看透”它。
 
  CYGNSS则利用GPS信号,它们的波长是7.5英寸(19厘米)长,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,鲁夫说:“你可以直接穿过雨滴。”这使得CYGNSS系统能够“透视”飓风,测量海洋表面的风。
 
  GPS卫星由美国空军负责操控,轨道比CYGNSS机队高得多。当GPS卫星飞过热带气旋上方时,它的信号会不受阻碍地通过暴风雨,并从海洋表面反弹。此时,CYGNSS可以拦截这些向上反射的信号。这些发射信号可以显示出海洋波浪的强弱,进而使研究者计算出引起海洋波浪的风速大小。
 
  将信号转为测量数据
 
  自发射以来,CYGNSS的8颗小卫星运行良好,但执行任务的科学家在将GPS信号处理成风速数据过程中遇到了重大阻碍。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,而且不同的卫星变化幅度不同。这些变化使CYGNSS卫星的强风测量速度提高了11英里/小时(18千米/小时)。
 
  鲁夫说:“我们花了一年甚至更长的时间解决这个问题,终于找到了答案。
 
  每一个卫星不止携带一个GPS接收器来收集从地球表面反射回来的信号,还有一个次要的较小接收器进行定位和追踪。团队对较小的接收器进行了重新编程,测算广播信号强度,从而为他们提供了正确处理从下面返回信号所需的信息。
 
  解决这一问题后,研究人员可着手评估CYGNSS数据如何影响飓风预报。
 
  美国国家海洋和大气管理局(NOAA)使用相同飓风模式的研究版本进行试验,科学家将CYGNSS数据加到了2017年著名暴风——飓风“哈维”和“艾玛”的案例研究中。CYGNSS数据的加入不仅对风暴强度,而且对风暴的路径和结构有更接近现实的预测。其他研究表明,对不同风暴的预报也有类似的进展。
 
  NASA现在已经正式扩大了任务范围,并邀请了科学团队重新定义任务目的。虽然八颗小型CYGNSS卫星仍在观测热带风暴中的隐藏风,但未来可能还有其他应用正在等待发现。
 
  公报说,人类燃烧化石燃料是导致二氧化碳增加的主因。塔拉斯在发布会上说,包括热带雨林在内的大面积森林消失也导致大气中二氧化碳浓度增加,如去年北半球大范围森林火灾就造成大量二氧化碳排放。
 
  此外,另外两种温室气体甲烷和氧化亚氮的浓度也比过去高出很多。公报说,甲烷也是一种长效温室气体,其排放60%来自畜牧、利用化石燃料等人类活动。