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 UPWr, National Central University oraz National Taipei University w projekcie SWIM-GNSS 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, kierowniczka projektu SWIM-GNSS), jak podkreśla, problem polega na tym, że żadna pojedyncza metoda obserwacyjna nie pozwala dziś uzyskać kompletnego obrazu tego, co dzieje się w atmosferze.

Sygnały GNSS, kojarzone przede wszystkim z nawigacją satelitarną i wyznaczaniem położenia, mogą dostarczać również bardzo dokładnych informacji o atmosferze. Przechodząc przez jej kolejne warstwy, sygnał zmienia swoje właściwości. Analiza tych zmian pozwala określać m.in. zawartość pary wodnej. W projekcie SWIM-GNSS, współfinansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII konkursu polsko-tajwańskiego, naukowcy 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 naukowczyni, dodając, że 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 więc powiedzieć, że jedna metoda będzie służyła do uzupełnienia i kontroli drugiej – podkreśla dr inż Trzcina.

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 – mówi naukowczyni.

Dlaczego właśnie Tajwan? – Dla takich badań naturalnym laboratorium jest Tajwan, bo region ten 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 – tłumaczy dr inż. Trzcina

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.

Projekt połączy doświadczenie badaczy specjalizujących się w różnych metodach obserwacji atmosfery. Zespół Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu tworzą dr inż. Estera Trzcina, prof. Witold Rohm oraz dr inż. Paweł Hordyniec, którzy zajmują się przede wszystkim naziemmnymi obserwacjami GNSS i tomografią troposferyczną oraz radiookultacją GNSS.

Partnerzy z National Central University oraz National Taipei University wnoszą natomiast doświadczenie w zakresie radiookultacji GNSS, prognozowania pogody oraz asymilacji obserwacji do modeli numerycznych.

– Nasze kompetencje bardzo dobrze się uzupełniają. My rozwijamy tomografię troposferyczną GNSS, a partnerzy z Tajwanu mają duże doświadczenie w wykorzystywaniu obserwacji radiookultacyjnych w modelowaniu i prognozowaniu pogody – mówi dr inż. Trzcina, dodając, że jeśli opracowane rozwiązanie okaże się skuteczne, znaczenie projektu może wykroczyć daleko poza Tajwan. Metodę łączenia obserwacji naziemnych i satelitarnych będzie można rozwijać również dla innych regionów świata i kolejnych systemów obserwacyjnych. Cel pozostaje jednak bardzo konkretny – 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.

Napisz komentarz!