Table of Contents
مقدمة: لماذا مسائل البيانات التمهيدية أكثر من أي وقت مضى
إن التهطال هو المحرك الرئيسي لدورة المياه العالمية، ويؤثر تأثيرا مباشرا على الزراعة، والإمداد بالمياه، وتوليد الطاقة، والسلامة العامة، ويُعتبر القياس الدقيق لسقوط الأمطار والثلوج أمرا أساسيا للتنبؤ بالطقس العددي، والتنبؤ بالفيضانات والجفاف، ورصد المناخ في الأجل الطويل، غير أن الطرق التقليدية لقياس التهطال لها حدود معروفة، وتوفر قياسات الأمطار الأرضية القائمة على الأرض نماذج غير مؤكدة، ولا سيما عدم التي تمثل تغيرا مكانيا.
وفي السنوات الأخيرة، برز الجمع بين الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل والمركبات الجوية غير المأهولة كحل قوي للتغلب على هذه القيود، وتوفر السواتل تغطية واسعة ومستمرة للمحيطات والغابات والمناطق الجبلية التي تكون فيها المراقبة الموقعية شحيحة، وتوفر المركبات الفضائية، بدورها، قدرا كبيرا من الاستبانة، وأخذ عينات الطلب على مواقع محددة، مما يوفر وصلة حرجة بين البيانات الساتلية والواقع الأرضي.
The Evolution of Precipitation Monitoring: From Rain Gauges to Multiscale Integration
إن تاريخ قياس التهطال هو قصة تطويقية مكانية وزمنية، وقد استخدمت الحضارات القديمة سفنا بسيطة لجمعها، ولا يزال قياس الأمطار الحديث الذي يربط بين الطين والمترات معيار قياس النقاط، وفي القرن العشرين، تحولت شبكات الرادار الجوي عن طريق توفير تقديرات واقعية لكثافة الأمطار على مئات الكيلومترات، غير أن التقديرات القائمة على الرادار تتطلب معايرة دقيقة وتقتصر على المناطق الساحلية القارية.
وقد بدأ الحقبة الساتلية بمنابر مدارية تحمل مقاييس مائية مصغرة سلبية، تكتشف الانبعاثات الطبيعية المزروعة لأجهزة الكشف عن الهيدرولوغاريت، وقد أصبحت بعثة قياس الأمطار المدارية التي أطلقت في عام 1997 بعثة ذات علامات بارزة تجمع بين جهاز تصوير الموجات الدقيقة ورادار للتفتت، وترددها، وهي بعثة قياس أعلى درجة للتنبؤات العالمية لعام 2014 (GPM)، وهي بعثة مُطلقة.
وقد نضجت تكنولوجيا الطائرات فوق البنفسجية بسرعة خلال العقدين الماضيين، مدفوعة بأوجه التقدم في أجهزة التحكم بالرحلات، وكثافة الطاقة بالبطارية، والمجسات المصغرة، وهي تطير الآن بصورة روتينية تحت قاعدة السحب، وتدخل المظلات التهطالية، وتأخذ عينة الغلاف الجوي الأدنى في القرارات التي لا يمكن أن تتطابق معها أجهزة الاستشعار الساتلية، وقدرتها على اتباع مسارات الطيران المحددة سلفا، وتتجاوز نقاط محددة الهدف، وتجعلها مثالية لتجميع البيانات.
التكنولوجيات الساتلية لقياس التمهيد
وتقيس السواتل التهطال باستخدام عدة أساليب استشعار تكميلية، لكل منها نقاط قوة ونقاط ضعف متميزة.
أجهزة لاسلكية تعمل بالموجات الدقيقة
وتكشف أجهزة الاستشعار المرنة على السواتل المدارية عن الإشعاعات المجهرية التي تنبعث منها الأرض والغلاف الجوي لها، وعلى المحيط، تخلق الجسيمات الجليدية والمياه السائلة في الغيوم توقيعاً مميزاً على درجة الحرارة اللامعية يمكن تفاديه لتقدير معدلات سقوط الأمطار السطحية، وعلى الأرض، فإن مقياس الاستعادة أكثر صعوبة بسبب تفاوت مكاني في الجو، ولكن المقاييس الحديثة تستخدم معلومات متعددة الأطياف وتقديرات الخلفية.
التهوية
كما أن نظم الرادار النشطة على السواتل تنقل نبضات الموجات الدقيقة وتقيس القوة المساندة من الجسيمات المتسربة، وتتيح صور التأمل الناتجة عن ذلك تقدير معدلات الأمطار، مع افتراضات إضافية بشأن توزيع حجم الانقطاع، والهيكل العمودي للهيكل الرأسي للهيكل المائي، كما يعمل جهاز التحكم في التردد المزدوج على جهاز قياس الترددات على مقياس الترددات الجليدية، مع تحسين القدرة على اكتشاف الأمطار.
رصد الأرض تحت الحمراء والبصرية
وتوفر المنابر الثابتة الأرضية تغطية مستمرة لقرص ثابت للأرض، مما يؤدي إلى تطور نظم السحب على فترات تتراوح بين 5 و 15 دقيقة، وتسفر عمليات المراقبة في إطار الأشعة تحت الحمراء (10-12 ميكروم) عن درجة حرارة سطحية، ترتبط بكثافة التهطال عن طريق العلاقة بين ارتفاع السحابة والحركة الرأسية، وفي حين أن تقديرات التهطال القائمة على النتائج أقل دقة من النماذج النشطة والسلبية لحل الموجات الدقيقة.
External link: GPM Mission Instruments Overview]
تكنولوجيات قياس التهطال
وتجلب المركبات الفضائية فوق المدارية مجموعة فريدة من القدرات لمراقبة التهطال، فخلافا للسواتل، تطير داخل طبقة السحابة أو تحتها مباشرة، وتجمع القياسات الموقعية وبيانات الاستشعار عن بعد العالية الاستبانة بالضبط حيث تتكشف العمليات الجوية، وتكمل مرونتها وتكلفتها التشغيلية المنخفضة النظرة الواسعة النطاق والمتقطعة من المدار.
أنواع وخصائص الأداء
() تقدم الطائرات فوق البنفسجية الثابتة الجناحين تحملاً طويلاً (ساعات طويلة)، وسرعات عالية جداً (حتى 100 كيلومتر/ساعة)، والقدرة على تغطية المسافات الأفقية الكبيرة في رحلة واحدة، وهي مناسبة تماماً لنقل الجبهات الجوية، وقياس درجات التهطال، وإجراء دراسات استقصائية منهجية على مستجمعات المياه([2]).
أجهزة الاستشعار عن التهوية المصغرة للمركبات فوق البنفسجية
A growing ecosystem of compact, light weight sensors has been developed specifically for UAV deployment. Optical disdrometer count and size individual raindrops as they passivity sheet, providing drop size distributions at 1-second intervals. ]Radiosondes[FLT:V pressure]
ألف - المزايا التشغيلية للشبكات الأرضية
وتسد المركبات الجوية فوق المدارية الثغرات الملاحظة الحرجة في المناطق التي تغيب فيها الشبكات التقليدية أو تتحلل فيها، ويمكن خلال أحداث الفيضانات إطلاق المركبات فوق المناطق المتضررة في غضون دقائق من الطيران فوق المنطقة المتضررة، وأخذ عينات من شدة الأمطار والتوزيع المكاني فوق المصيد مباشرة، وهذه القدرة قيمة بوجه خاص في البلدان النامية وأحواض الجبال النائية حيث تتفادى المحطات الدائمة الحد الأدنى من حركات الأشعة والأرضية التي تتدهور البيانات السطحية قرب الغلاف الجوي.
External link: UAV-Based Precipitation Measurement: A Review]
النهج التآزرية: كيف تعمل السواتل والمركبات فوق البنفسجية معاً
فالشراكة بين السواتل والمركبات الفضائية غير مضافة فحسب؛ وكل منابرها يعزز قيمة الآخر من خلال معايرة مشتركة وسد الثغرات وفهم العمليات.
Validating Satellite Retrievals with UAV Ground Truth
ومن التحديات المستمرة في علوم التهطال الساتلية عدم وجود بيانات عالية الجودة للتحقق في التضاريس غير المتجانسة وعلى المحيطات، وفي مقاييس الأمطار في الموقع تكون متفرقة للغاية لاستخلاص الاختلاف الذي تقيسه فعلياً أجهزة قياس التحلل الساتلية، ويمكن أن تكون أجهزة قياس التردد فوق البصمات التي تُعين كامل البصمات الساتلية التي تمثل هدفاً للتثبيت المكاني.
معايرة رصد الموجات الدقيقة السلبية
وتعتمد عمليات استرجاع الموجات الدقيقة عبر الأراضي على نماذج الانبعاثات المعقدة التي تتضمن درجة حرارة السطح وكثافة النبات ورطوبة التربة، وهذه البارامترات شديدة التغير وفقيرة في مناطق كثيرة، وقد أظهرت المركبات المزودة بمقياس حراري محمول ومجسات لرطوبة التربة قياسات متزامنة على طول المسار الساتلي المتجاوز، مما أدى إلى تحسين دقة النموذج الزراعي ذي الأساس، ومن ثم استرجاع موسم الأمطار.
ألعاب التمثيل المؤقت والمحلية
وتعيد السواتل النظر في موقع معين على فترات تتراوح بين 3 ساعات (تجميعات المركبات الآلية العالمية) و12 ساعة (مدار القطبي المغنطيسي) و30 دقيقة (الأشعة تحت الحمراء) ويمكن نشر المركبات فوق البنفسجية باستمرار أثناء حدث تهيجي، مما يؤكد وجود عينات في الدقيقة تحلّل التغيّر الدقيق الذي تفتقده تجاوزات السواتل.
تقنيات تكامل البيانات لأغراض بث السواتل
ويشكل دمج الملاحظات من المنصات التي تختلف اختلافا كبيرا عن القرارات المكانية والزمنية تحديا تقنيا كبيرا، وقد وضعت عدة طرق قوية لإنتاج حقول تهطالية لا تحصى من مدخلات السواتل وأجهزة التصوير فوق البنفسجية.
نماذج تراجع التعلم الآلاتي
وتُدرَّب نماذج الغابات العشوائية، والتعزيز التدريجي، والشبكات العصبية على زوجين تاريخيين من الإشعاعات الساتلية ومعدلات الأمطار التي تستخدمها المركبات الفضائية فوق البنفسجية، وتتعلم النماذج العلاقات المعقدة وغير الخطية بين الإشارات الساتلية المتعددة الأطياف والهيكل السطحي، وتخفض إنتاج الساتلي بشكل فعال إلى حل موقع الساتل UAV، وعندما تُدرَّب على مجموعات كبيرة من البيانات ذات النطاق الواحد من مختلف المناطق المناخية، يمكن لهذه النماذج أن تُنتج
الإنتربول الإحصائيات الجغرافية مع الدرايف الخارجي
والربط بين الركب والربط مع العائمة الخارجية هما الأساليب الجيولوجية الإحصائية الموحدة التي تجمع بين مجال معلومات أساسية ساتلية سلس وقياسات النقاط من المركبات الفضائية، ويستخدم المنتج الساتلي كمصطلح (محرك) الاتجاه، في حين تقدم عمليات الرصد الجوي فوق البنفسجية معلومات مستكملة متبقية في مواقعها المحددة، وتنتج هذه الطريقة سطحاً متسلسلاً باستمرار مع عدم يقين كمي (الفرق الحاد)، وهو أمر قيّم لاتخاذ القرارات القائمة على المخاطر في مجال الهيدرولوجياً والزراعة.
Piesian Data Assimilation
(ب) جمع مرشحات ومرشحات الجسيمات من شأنها أن تُرَفِّع البيانات الساتلية وبيانات الغلاف الجوي إلى نموذج دينامي من عمليات الرطوبة والتهطال في الغلاف الجوي، ويُنشر النموذج في الوقت المناسب، ويُحدِّث كل ملاحظة جديدة الحالة النموذجية وفقاً لعدم التيقن النسبي الذي تتسم به، وتعالج الأساليب البيزيائية بطبيعة الحال مختلف خصائص الخطأ في كل منصة، وتُنتج عن ذلك تقديراً ثابتاً ومتطوراً ومكلفةً.
التطبيقات عبر القطاعات
ويتمتع النهج المتكامل لاستخدام السواتل في استخدام الفضاء الخارجي في الأغراض السلمية بقدرات تحولية في عدة مجالات ذات أثر كبير.
إدارة الزراعة والري
ويمثل تقلب الأمطار مصدرا رئيسيا للمخاطر في إنتاج المحاصيل، وتوفر المنتجات الساتلية سياقا إقليميا لأورام هطول الأمطار الموسمية، بينما تقدم المواد فوق مناطق الزراعة التي تحلق فوقها بيانات عالية الاستبانة ضرورية لتحديد مواعيد الري، وزراعة الخطط، وتقدير الغلة، وفي الزراعة الدقيقة، تقيس المنتجات الساتلية الأمطار الفعلية على النطاق الميداني، وكشف كميات صغيرة من أدوات التحلل المتزامن التي تستخدمها أجهزة التحلل الساتلية.
الإدمان على الفيضان والاستجابة في حالات الطوارئ
ومن الصعب التنبؤ بالفيضانات المشتعلة في المصيد الصغيرة والمتوسطة بسبب الاستجابة السريعة للتضاريس الحادة وعدم وجود بيانات في الموقع عن سقوط الأمطار، ويتيح هذا الانجاز تقديراً فعلياً للهيكل المتراكم على حوض الاستيقاظ، ويغذي نماذج المواد الهيدرولوجية التي تصدر الإنذارات بأوقات زمنية محددة من وقت لآخر.
رصد المناخ والتقييم النموذجي
وتتطلب نماذج المناخ رصداً موثوقاً به للتهيؤ للتقييم والتحيز، ويعتمد المركز العالمي لعلم التهطال والبيانات المماثلة اعتماداً كبيراً على السجلات الساتلية التي تدمج مع شبكات القياس، ويمكن للمواقع المدارية أن تكمل هذه الشبكات في مناطق شفاف البيانات مثل الأمازون وحوض الكونغو وخط التايبات التيبت، مما يوفر التحقق الدقيق من سجلات البيانات المناخية الطويلة الأجل القائمة على السواتل.
عمليات الطاقة الكهرمائية والمستودعات
ويقوم مشغلو الطاقة الكهرمائية بإدارة عمليات إطلاق الخزان على أساس التهطال في الوقت الحقيقي والتنبؤات في حوض الاستيقاظ، وتُقدِّم عمليات الصمامات الساتلية - الساتلية حقل التهطال العالي الاستبانة اللازم لتحقيق الاستخدام الأمثل لتوليد الطاقة مع الحفاظ على القدرة على تخزين الفيضانات، وفي المناطق الجبلية التي تقاس فيها علب الثلج والتحولات المطرية بشكل ضعيف، تقدم المركبات العمودية من الأمطار مقابل الثلج، وتحسن التنبؤات التي تُجرى أثناء صهر الثلج.
التنفيذ العملي: جعل أوجه التآزر بين السواتل والشبكة
ورغم وعدها، فإن الاعتماد الواسع النطاق لرصد التهطال بواسطة السواتل - UAV يواجه عدة عقبات عملية.
نقل البيانات والطابع
وكثيرا ما تكون البيانات الساتلية متاحة في غضون 3-6 ساعات من الاقتناء (بالتوقيت القريب) من خلال نظم البث المباشر، وعلى النقيض من ذلك، فإن البيانات المتعلقة بالأشعة فوق البنفسجية عادة ما تسترد بعد انتهاء الرحلة، وبالنسبة للتطبيقات في الوقت الحقيقي، يلزم تجهيزها على متن السفن ووصلات القياس عن بعد بواسطة الخلايا/السواتل من أجل رصد التهطال المتدفق إلى مركز التنبؤ بينما لا تزال الطائرة تنقل جوا.
عمليات الطيران والمضيقات التنظيمية
ويتطلب الطيران المفاجئ في مراحل التهطال وجود مقاومة قوية للطقس، لا سيما بالنسبة للمنابر المتعددة العناصر التي تفتقر إلى الرفع إلى الجليد المرفوع، وما زالت عمليات الرصد الجوي غير محدودة في العديد من البلدان، مما يحد من النطاق المكاني للدراسات الاستقصائية للمركبات غير المرئية، غير أن الإعفاءات من البحوث العلمية واللوائح الناشئة المتعلقة باتفاقية بازل تتوسع في مظاريف الرحلات الجوية، ولا يزال التنسيق مع مراقبة الحركة الجوية وغيرها من الأصول الجوية أمرا أساسيا.
خطوط الأساس والمعايير الخاصة بتجهيز البيانات
ويتطلب إدماج البيانات الساتلية والبيانات فوق البنفسجية نماذج موحدة للملفات، واتفاقيات البيانات الوصفية، وإجراءات مراقبة الجودة، وقد اعتمد مجتمع علم الأرصاد الجوية المائية اتفاقيات التدفق (الحياة والتنبؤ) ونموذج " نيك دي دي دي دي " لمنتجات التهيؤ الساتلي، ولكن بيانات الساتل UAV كثيرا ما تُسلَّم في ملفات لوجات خاصة بالبائعين.
الاتجاهات المستقبلية
وسيشهد العقد المقبل تقدما كبيرا في القدرات الساتلية وقدرات الساتل UAV، إلى جانب زيادة التكامل بين الاثنين.
Autonomous UAV Swarms Coordinating with Satellite Observations
ستستجيب أسطول المركبات المنسَّقة ذاتياً لملامح التهطال المكتشفة بواسطة السواتل وعندما يحدد ساتل ثابت بالنسبة للأرض خلية متجانسة متنامية بسرعة على منطقة مسدودة للبيانات، سيُطلق إطلاق قسّم من المركبات الفضائية فوق المدارية من محطة قاعدية قريبة، وستُبث الأشعة فوق البنفسجية قبل أن تُعين نماذج الطقس المُسمّى، والتنبؤات الحقيقية، التي تُجرى في إطار البعثة.
برمجيات السواتل الصغيرة من أجل التوصل إلى حل مؤقت أعلى
وتسمح التطورات في تكنولوجيا كوبيسات وسواتل صغيرة بتمكين مجموعات من عشرات أجهزة الاستشعار المسبق أو حتى مئات أجهزة الاستشعار المسبق، وهذه المنصات الصغيرة أرخص لبناء وإطلاق من السواتل التقليدية، مما يتيح إعادة النظر في أوقات 15-30 دقيقة على الصعيد العالمي، كما أن مجموعة كثيفة من السواتل الصغيرة العاملة في إطار مناظرة للمركبات البرية ستوفر رصدا للتنبؤات على نطاق العالم، على سبيل المثال لا الحصر.
على متن المركبة وضميمة البيانات
وسيدير مجهزو العجلات في المركبات الجوية فوق البنفسجية نسخا خفيفة الوزن من خوارزميات التعلم الآلات التي تبث البارامترات السحابية المستمدة من السواتل مع قياسات الاستشعار في الوقت الحقيقي، مما سيتيح للمركبة اتخاذ قرارات ذكية بشأن مكان الطيران، ومتى ينبغي تحديده، وما هي القياسات التي ينبغي أن تحدد الأولويات، دون أن يتطلب ذلك اتصالا مستمرا مع محطة أرضية، وستكون النتيجة هي أخذ عينات مكيفة تحقق أقصى قدر من القيمة العلمية.
خفض التكاليف والديمقراطية
ونظراً لأن تكاليف أجهزة الاستشعار تنتشر وتتكاثر منابر البث الساتلي - الساتلي - UAV، فإن رصد التهطال سيتاح للبلدان النامية، ومجموعات البحوث الجامعية، ومنظمات إدارة المياه المجتمعية، وسيؤدي هذا التحول الديمقراطي إلى سد الثغرات الرئيسية في المراقبة في المناطق المدارية والفرعية العالمية، حيث يكون لتقلبات الأمطار أكبر أثر على سبل كسب الرزق البشرية.
External link: NASA Small Satellite Missions Program]
خاتمة
ويمثل التهطال أكثر المتغيرات التي تنجم عن ذلك في مجال الأرصاد الجوية بالنسبة لإدارة موارد المياه والأمن الغذائي والحد من مخاطر الكوارث، ويمثل تكامل عمليات السواتل والملاحة الجوية تحولا في نموذج قدرتنا على قياسها على نطاقات معظمها، وتوفر السواتل الرأي العالمي، وتستوعب التنظيم الواسع النطاق للنظم الجوية، وتوفّر بيانات متسقة على مدى عقود، وتوفر المركبات الفضائية معلومات محلية، وتثبت وتكرير، وتسد الثغرات في مجال الاسترجاع السواتل.
ويتطلب المسار إلى الأمام استثمارا مستداما في كلا المنبرين، وكذلك في خوارزميات دمج البيانات، والهياكل الأساسية للاتصالات، والأطر التنظيمية التي تدعم استخدامها المنسق، ولكن الفوائد واضحة: التنبؤات الأكثر دقة للطقس، والإنذار بالفيضانات الأفضل، والجداول الزمنية للري المثلى، والفهم الأعمق للكيفية التي يعيد بها تغير المناخ تشكيل نظم التهطال في جميع أنحاء العالم، ومن خلال تسخير القوة التكميلية للسواتل ورصدات العرضية للسنوات السابقة، وهي القرن الواحد والعشرين.
External link: WMO Report on Satellite-UAV Synergies in Precipitation Observing]