Burze czy tajfuny mogą rozwinąć się błyskawicznie, a jednym z czynników decydujących o ich przebiegu jest ilość i rozmieszczenie pary wodnej w atmosferze. Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu opracują metodę, która pozwoli dokładniej obserwować wilgotność w dolnych warstwach atmosfery i sprawdzą, czy dokładniejsze informacje o jej stanie mogą poprawić prognozowanie gwałtownych zjawisk pogodowych.
Atmosfera nie jest jednorodną warstwą otaczającą Ziemię. Jej temperatura, ciśnienie i zawartość pary wodnej nieustannie się zmieniają, a wilgotne masy powietrza przemieszczają się zarówno w poziomie, jak i w pionie.
Szczególnie interesuje nas wilgotność w dolnej troposferze, ponieważ to właśnie tam zachodzą procesy mające kluczowe znaczenie dla rozwoju wielu intensywnych zjawisk pogodowych – wyjaśnia dr inż. Estera Trzcina z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu,
kierowniczka projektu SWIM-GNSS.
Jak dodaje, problem polega na tym, że żadna pojedyncza metoda obserwacyjna nie pozwala dziś uzyskać kompletnego obrazu tego, co dzieje się w atmosferze. Pomóc w tym mogą sygnały GNSS, kojarzone przede wszystkim z nawigacją satelitarną i wyznaczaniem położenia. Przechodząc przez kolejne warstwy atmosfery, sygnał zmienia swoje właściwości. Analiza tych zmian pozwala określić m.in. zawartość pary wodnej.
W projekcie SWIM-GNSS, współfinansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, naukowcy z UPWr, a także National Central University oraz National Taipei University, wykorzystają dwa różne sposoby obserwacji. Pierwszym będzie radiookultacja GNSS. W tym przypadku odbiornik znajdujący się na satelicie niskoorbitującym obserwuje sygnały wysyłane przez satelity nawigacyjne w momencie, gdy przechodzą one przez atmosferę. Na tej podstawie można odtworzyć jej strukturę na kolejnych wysokościach i uzyskać informacje dotyczące m.in. temperatury, ciśnienia czy wilgotności.
Ogromną zaletą radiookultacji jest możliwość prowadzenia obserwacji praktycznie na całym świecie, także nad oceanami, gdzie liczba klasycznych stacji meteorologicznych jest ograniczona. Metoda ma jednak słabszy punkt – informacje pozyskiwane w najniższych partiach atmosfery mogą być obarczone błędami systematycznymi – tłumaczy badaczka.
Dlatego drugim źródłem danych będą naziemne obserwacje GNSS. Tutaj wykorzystywana jest sieć odbiorników rozmieszczonych na powierzchni Ziemi. Na podstawie opóźnień sygnałów docierających do poszczególnych stacji można za pomocą tomografii troposferycznej odtworzyć trójwymiarowy rozkład wilgotności. Można zatem powiedzieć, że jedna metoda będzie służyła do uzupełnienia i kontroli drugiej.
Model tomografii troposferycznej TOMO2, który zostanie wykorzystany w projekcie, jest rozwijany właśnie w Instytucie Geodezji i Geoinformatyki UPWr. To połączenie obu technik jest najważniejszym elementem projektu SWIM-GNSS. Zestawiając oba rodzaje danych, naukowcy chcą zidentyfikować i ograniczyć błędy pojawiające się w profilach radiookultacyjnych w dolnej atmosferze.
Do opracowania metod ich korekcji zostaną wykorzystane m.in. interpolacja, modele regresyjne i uczenie maszynowe. Nie chodzi jednak wyłącznie o poprawienie samych pomiarów. Ostatecznie skorygowane profile mają zostać wprowadzone do systemu asymilacji danych modelu pogodowego WRF, aby sprawdzić, czy dokładniejsza wiedza o wilgotności rzeczywiście prowadzi do trafniejszych prognoz.
Chcemy nie tylko opracować nową metodę obserwacji atmosfery. Ważne będzie również sprawdzenie jej na rzeczywistych przypadkach intensywnych zjawisk pogodowych i odpowiedź na pytanie, czy lepsza informacja o wilgotności przekłada się na lepszą prognozę – zapowiada dr inż. Estera Trzcina.
Współpraca z naukowcami z Tajwanu nie jest przypadkowa. To region, który regularnie doświadcza intensywnych opadów, burz i tajfunów, a jednocześnie posiada niezwykle rozbudowaną infrastrukturę obserwacyjną. Na wyspie działa gęsta sieć ponad 200 naziemnych stacji GNSS, dostępnych jest również wiele obserwacji radiookultacyjnych.
Naukowcy wykorzystają dane zgromadzone podczas międzynarodowej kampanii TAHOPE – Taiwan-Area Heavy Rainfall Observation and Prediction Experiment, przeprowadzonej od maja do sierpnia 2022 roku przez zespoły z Tajwanu, Stanów Zjednoczonych i Japonii. Badano podczas niej m.in. intensywne opady związane z frontami Mei-Yu, systemy konwekcyjne oraz tajfuny przemieszczające się nad ląd.
Jeśli opracowane rozwiązanie okaże się skuteczne, metodę łączenia obserwacji naziemnych i satelitarnych będzie można rozwijać również dla innych regionów świata i kolejnych systemów obserwacyjnych. Celem pozostanie uzyskanie możliwie dokładnego obrazu tego, co dzieje się w atmosferze, a dzięki temu wcześniejsze i trafniejsze przewidywanie zjawisk pogodowych, które mogą stanowić zagrożenie dla ludzi.
MK, źródło: UPWr