美国宇航局小型卫星可以帮助GPS进行飓风预报

©NASA

在飓风上方轨道上运行的八颗CYGNSS卫星之一的插图。

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。

2016年发射的美国宇航局旋风全球导航卫星系统(CYGNSS)舰队旨在显示手机用于导航的相同GPS信号是否可用于测量飓风或台风深处的风。答案似乎是响亮的“是”。

天气预报模型在预测飓风或台风的未来轨迹方面已经有了很大进步,但在预测其最大风速(科学家称之为强度)方面还没有改进。这是因为这些热带巨风暴受到外部力量的控制,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风,但它们无法透过飓风的厚云层和雨水。

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。

如何看穿雨云

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,CYGNSS使用GPS信号。它们的波长是7.5英寸(19厘米)长——比大多数卫星仪器使用的短波长或任何曾经测量过的雨滴都长得多。鲁夫说,在那个波长下,“你根本看不到雨滴。你就直接穿过它。”这使得CYGNSS能够看透飓风并测量海洋表面的风。

由美国空军操作的GPS卫星的轨道比CYGNSS卫星的轨道要高得多。当GPS卫星飞越热带气旋时,它的信号可以畅通无阻地穿过风暴,并在海面上反弹。在较低的轨道上,CYGNSS向下的GPS接收器能够拦截向上返回的信号。这些反射信号的扭曲显示出海面有多粗糙,使研究人员能够计算出造成粗糙的风速。

将信号转化为测量

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CYGNSS团队了解了这个问题,他们就找到了一个解决方案。每颗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弹的信号,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,以测量来自头顶的广播信号的强度,这为他们提供了正确处理从下面返回的信号所需的信息。

这个问题解决后,研究人员可以开始评估CYGNSS的数据将如何影响飓风预报。

科学家们用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)用于预测的飓风模型的研究版本进行实验,将CYGNSS数据添加到2017年两场著名风暴哈维和艾玛的重建中。CYGNSS数据的增加产生了更现实的预测,不仅是风暴的强度,而且是它们的轨迹和结构。其他研究也显示了不同风暴预报的类似改善。

意外的水红利

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。”

由于前学生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)记录了数据的价值,NASA现在正式扩大了任务范围,并邀请科学团队重新定义任务目的。随着八颗小天鹅座卫星持续观测热带风暴中隐藏的风,可能还有其他应用有待发现。

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