美国国家航空航天局的小型卫星可以通过全球定位系统帮助飓风预报

©美国宇航局

飓风上方轨道上的八颗天鹅座卫星之一的图示。

8颗公文包大小的卫星连续飞行可能是提高飓风风速预测的关键——可以检测飓风是会以1级还是5级登陆。

NASA的气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)于2016年发射,旨在显示你的手机用于导航的GPS信号是否可以用于测量飓风或台风深处的风。答案似乎是响亮的肯定。

天气预报模型在预测飓风或台风的未来路径方面已经有了很大的进步,但在预测其最大风速(科学家称之为强度)方面却没有改进。这是因为这些热带巨星是由外部力量控制的,比如区域风,但它们的强度取决于每个风暴内部的力量。虽然许多卫星可以看到外部的风,但他们无法透过飓风的厚云和雨看到。

位于安阿伯的密歇根大学的CYGNSS首席研究员克里斯托弗·鲁夫解释说:“要预测强度,你必须在风暴中心测量风速,而在CYGNSS之前,除了驾驶飓风亨特号飞机之外,没有其他方法可以做到。”

CYGNSS的新数据被证明与2017年玛丽亚、厄玛和何塞飓风期间同时收集的飓风猎人数据非常匹配。八颗小卫星——每颗卫星之间只有12分钟的轨道间隔——在每次风暴中收集的数据比“飓风猎人”(Hurricane Hunter)飞行中收集的数据还要多。

如何看透雨和云

为了了解大气中有什么,许多地球观测卫星发送的电磁信号波长仅为一英寸的几分之一。对这些短波信号来说,一滴毛毛雨、一粒灰尘或任何其他空气中的粒子都是无法穿透的障碍。尽管它们的波长比这些微小的粒子长,但它们的大小足够接近,信号可以从粒子反射回来,就像一个台球与另一个球相撞一样。通过“阅读”这些分散的信号,研究人员可以识别云的形状和位置,以及信号遇到的其他障碍。

换句话说,短波能让研究人员看到风暴,但不能看穿它。

另一方面,天鹅座使用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,也比任何测量过的雨滴都长。在这种波长下,联阵说,“你根本看不到雨滴,你只要穿过它就行了。”这使天鹅座能够看穿飓风并测量海面上的风。

由美国空军操作的GPS卫星所处的轨道比天鹅座舰队要高得多。当GPS卫星在热带气旋上空飞行时,其信号在风暴中畅通无阻,并从海面反弹。在较低的轨道上,天鹅座向下看的GPS接收器能够截获向上返回的信号。这些反弹信号中的失真显示了海面的粗糙度,使研究人员能够计算出造成粗糙度的风速。

将信号转换为测量值

CYGNSS的八颗小卫星自发射以来工作良好,但任务中的科学家在将GPS信号转换为风速数据的过程中遇到了一个重大障碍。在设计这项任务时,科学家们假设GPS信号是以恒定的强度传播的。但当科学家们开始收集数据时,他们发现大多数GPS卫星的信号功率在每次轨道运行期间都会发生变化,而且变化的程度也因卫星而不同。这些变化与CYGNSS卫星测量的风速相差11英里每小时(18公里每小时)。

鲁夫说:“我们花了一年多的时间来解决这个问题,最终我们把它弄明白了。”“基本上,当空军飞过世界上某些地方,当坏人试图干扰信号时,他们就会打开电源。”信号越强,就越难以干扰。

一旦天鹅座小组了解了这个问题,他们就找到了一个解决办法。每个天鹅座卫星不仅携带一个主要的GPS接收器来收集从地球表面反弹过来的信号,还携带一个次要的、较小的接收器来定位和跟踪。研究小组对较小的接收器进行了重新编程,以测量从头顶传来的广播信号的强度,从而为他们提供正确处理从下方返回的信号所需的信息。

问题解决后,研究人员可以转而评估天鹅座数据将如何影响飓风预报。

科学家们利用国家海洋和大气管理局(NOAA)用于预测的同一飓风模型的研究版本进行试验,将天鹅座数据添加到2017年两次著名风暴哈维和厄尔玛飓风的重建中。天鹅座数据的加入不仅对风暴的强度,而且对风暴的轨迹和结构做出了更为真实的预测。其他研究表明,对不同风暴的预报也有类似的改进。

意外的平淡奖金

令Ruf吃惊的是,CYGNSS已经被证明有一个不可预见的应用。CYGNSS团队原本计划在卫星飞越陆地时定期关闭接收器,但他们决定通过让卫星一直收集数据来简化操作。美国宇航局喷气推进实验室(位于加州帕萨迪纳)的两名博士后学生决定研究来自陆地的数据。鲁夫说:“这是非常幸运的,但事实证明,你可以利用土地数据来测量土壤湿度和洪水。”

随着前学生Clara Chew(科罗拉多博尔德大气研究大学公司)和Hugo carno - luengo(西班牙巴塞罗那)记录了数据的价值,NASA现在正式扩大了任务的范围,并邀请科学团队重新定义任务的目的。由于这八颗小型CYGNSS卫星一直在观察热带风暴中隐藏的风,可能还有其他的应用程序有待发现。

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