Johdanto: Miksi tarkka Saastetietoasiat

Sade, lumi, liukumäki ja rakeet ovat yksi maan perustekijöistä. Sademäärän tarkka mittaus on ratkaisevan tärkeää maataloudelle, vesivarojen hoidolle, tulvaennusteille, kuivuuden seurannalle ja ilmastotutkimukselle. Vuosikymmenten ajan maalla olevat sademittarit muodostivat sadehavainnon runkoverkon. Nämä pistemittaukset tarjoavat kuitenkin rajallisen avaruuden, erityisesti valtamerten, vuorten ja harvaan asuttujen alueiden ylle. Kaukokartoitusteknologia on muuttanut kenttää tarjoamalla laajoja, lähes reaaliaikaisia havaintoja avaruudesta. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten kaukokartoitus parantaa sademäärätietojen keräämistä, taustalla olevia teknologioita ja polkua eteenpäin vieläkin tarkempia mittauksia varten.

Mitä kauko-tunnistus on?

Kaukokartoitus viittaa tiedon hankkimiseen esineestä tai ilmiöstä ilman fyysistä kosketusta siihen. Maanhavainnoinnin yhteydessä siihen liittyy satelliitteihin, ilma-aluksiin tai drooneille tarkoitettuja laitteita, jotka mittaavat Maan pinnasta ja ilmakehästä heijastuvaa tai säteilevää sähkömagneettista säteilyä. Nämä mittaukset käsitellään sen jälkeen fysikaalisten ominaisuuksien, kuten lämpötilan, kosteuden, pilvirakenteen ja sadeintensiteetin, perusteella.

Sateenastumisen avainanturityypit

  • Passive mikroaaltosensorit[ havaitsevat luonnollisesti säteilevän mikroaaltosäteilyn hydrometeoreista (sadepisaroista, lumihiutaleista, raesateista). Nämä signaalit korreloivat voimakkaasti sademääräintensiteetin kanssa, jolloin ne ovat ensisijainen väline avaruudesta tulevien sademäärien arviointiin.
  • Aktiiviset sensorit[, kuten sadetutkat, mikroaaltoenergian pulssit ja taaksepäin sirotetun signaalin mittaaminen. Tämä tarjoaa yksityiskohtaiset pystysuorat sadeprofiilit, mukaan lukien sateen ja lumen välinen ero.
  • ]Infrapunasensorit [ geostationaarisilla satelliiteilla mittaavat pilvi-huippulämpötiloja. Kylmät, korkeat pilvet liittyvät syvään konvektiivisiin järjestelmiin, joiden avulla IR-pohjaiset algoritmit voivat saada sademääränsä. Vaikka IR-tiedot ovat vähemmän suoria kuin mikroaaltohavaintoja, ne tarjoavat korkean aikataajuuden (5.15 minuutin välein) ja ovat ratkaisevan tärkeitä lähes reaaliaikaisen seurannan kannalta.

Miten kauko-tunnistus parantaa Sateenvarjojen tietojen keruu

Maassa sijaitsevat sademittarit ja säätutkat kaappaavat sateen hyvin tarkasti, mutta ne eivät pysty peittämään koko maailmaa tasaisesti. Kaukokartoitus täyttää kriittiset aukot:

  • Alueellinen kattavuus:[ Satelliitit voivat tarkkailla kaikkia maan osia, mukaan lukien valtameriä, napa-alueita ja vaikeapääsyistä vuoristoa. Tämä mahdollistaa maailmanlaajuisten sademääräklimaattien luomisen, joita oli mahdotonta saada pelkästään situ-verkoista.
  • Motoriaalinen kattavuus:[ Useita satelliitteja yhdessä voivat tarjota uudelleentarkasteluaikoja muutaman tunnin. Geostationaariset alustat tarjoavat jatkuvaa kattavuutta kiinteällä alueella, päivittämällä joka 5.15 minuuttia.
  • Konsistenssi:[ Satelliittilaitteet kalibroidaan ja ristiinkalibroidaan eri operaatioiden välillä, ja ne tuottavat pitkän aikavälin tietoja, jotka ovat elintärkeitä ilmastonmuutokseen liittyvien suuntausten ja vaihtelujen havaitsemiseksi.
  • Vertinen rakenne:[ Aktiiviset sensorit, kuten kaksitaajuudet Sadetutka (DPR) maailmanlaajuisessa sademittausjärjestelmässä (GPM) Ydinobservatorio, tarjoavat kolmiulotteista tietoa sateesta, joka paljastaa sulamiskerroksen, sademäärät eri korkeuksissa ja konvektiivisten myrskyjen voimakkuuden.

Keskeiset tehtävät ja niiden panos

GPM-mittauksen (Global Sateenmittaus) tehtävä

GPM:n ydinseurantakeskus on vuonna 2014 käynnistetty NASA:n ja Japanin ilmailututkimusviraston (JAXA) yhteisenä operaationa. GPM:n ydintarkkailukeskuksessa on sekä kaksitaajuussadetutka että GPM:n mikroaaltokuvaaja (GMI). GPM toimii vertailustandardina kansainväliselle satelliittien tähtikuviolle, joka tarjoaa yhtenäisen sademääräarvion 30 minuutin välein ympäri maailmaa. Integroitu monisatelliittiet GPM:n (IMERG) tuotteiden noutotiedot yhdistävät kaikkien konstellaation jäsenten tiedot korkean resoluution (0,1 °, 30-minuuttisten) sadekenttien tuottamiseksi.

TRMM (trooppinen sademäärän mittaustehtävä)

Toimii 1997-2015, TRMM uraauurtava avaruuspohjainen sadetutka ja mikroaaltoradiometria tropiikin ja subtrooppisen. Sen tiedot loivat perustan GPM:lle ja sitä käytetään edelleen ilmastotutkimuksissa.

Ulkoinen linkki: NASAn maailmanlaajuinen sademäärän mittaus

Ulkoinen linkki: JAXA GPM/GCOM-W

Etätunnistuksen edut Sateenkaaritutkimuksissa

  • Vertaamaton alueellinen kattavuus:[ Satelliitit kattavat valtameret (70 prosenttia maapallon pinnasta), syrjäiset maa-alueet ja poliittiset rajat, joita on vaikea säätää kentällä.
  • Todellinen saatavuus:[) Monet satelliittituotteet ovat saatavilla muutaman tunnin kuluessa tarkkailusta, mikä tukee operatiivista hydrologiaa, tulvavaroituksia ja katastrofien torjuntaa.
  • Pitkäaikainen ilmastotieto:[] Kun huolellinen uudelleenkäsittely, satelliittien tietueet nyt yli 20 vuotta, jolloin voidaan analysoida kausittaista vaihtelua ja suuntauksia sademäärien ääri.
  • Integraatio numeerisiin säämalleihin:[ Satelliittisadetiedot on sisällytetty sääennustemalleihin, mikä parantaa ennusteiden tarkkuutta myrskyjen ja sademäärien osalta.
  • Vesivarojen hoidon tuki:[ Tarkka sademääräkartat ajavat vesijohtomalleja vesivaraston toimintaan, kasteluaikatauluihin ja kuivuuden seurantaan.

Parannettujen sateenvarjotietojen sovellukset

Sääennusteet ja nytcasting

Korkearesoluutioiset satelliittisadetuotteet syöttävät toiminnallisiin numeerisiin sääennustejärjestelmiin (NWP). Esimerkiksi Yhdysvaltain kansallinen sääpalvelu käyttää IMERG-dataa parantaakseen lyhyen aikavälin ennusteita ja tulvavaroituksia erityisesti tulva-ajelujen osalta, joissa maalla on vain vähän tutkapeittoa.

Ilmastotutkimus

Kaukokartoituksen avulla saadut maailmanlaajuiset sademäärät ovat olennaisia ilmastomallien validoinnissa, veden kiertoon reagoimisen tutkimisessa lämpenemiseen sekä monsuunimallien, ENSO-syklien ja trooppisen pyörremyrskyn toiminnan seurannassa. [NOAA:n kansalliset ympäristötiedon keskukset[] käyttävät näitä tietoja ilmaston normaalien ja arviointien tuottamiseen.

Maatalous ja elintarviketurva

Monilla kehitysalueilla maalla on vain vähän sademittareita. Satelliittisadetta koskevat arviot mahdollistavat satojen mallintamisen, kuivuuden varhaisvaroitusjärjestelmät (kuten varhaisvaroitusjärjestelmien nimeen) ja pienviljelijöiden vakuutustuotteet.

Hydralogia ja vesihuolto

Tulvaennustemallit edellyttävät tarkkoja, alueellisesti hajautettuja sademääriä. Kaukokartoitustietoja käytetään suurten jokialueiden hydrologisten mallien kalibroimiseen, lumipakkauksen seurantaan (kiinteän sateen muoto) ja ääritapahtumien, kuten ilmakehään jokien, vaikutusten arviointiin Yhdysvaltojen länsirannikolla.

Haasteet ja rajoitukset

Muuttuvista eduista huolimatta sademäärän kaukokartoitus ei ole ilman haasteita.

  • Tiedon tarkkuus:[ Passiiviset mikroaaltoanturit tarjoavat tilaresoluutioita 10.50 km:n korkeudessa, mikä voi olla liian karkeaa paikallisille sovelluksille. Korkeamman resoluution aktiiviset sensorit (esim. GPM DPR) tarjoavat ~5 km jalanjälkeä, mutta kattavuus rajoittuu ei-skannaukseen.
  • Kalibaatio ja validointi:[ Satelliittiestimaatit edellyttävät johdonmukaista kalibrointia maan totuutta vastaan (raidemittarit, disdrometrit, maatutkat). Biaseja voi syntyä muutoksista sensorien suorituskyvyssä, kiertoradalla tai algoritmioletuksissa.
  • Hakualgoritmien monimutkaisuus:[] Havaittujen säteilyjen muuntaminen sademääräksi edellyttää fyysisiä malleja, joissa oletetaan tiettyjä hydrometeorin kokojakaumaja, hiukkasmuotoja ja ilmakehän profiileja. Virheet näissä oletuksissa voivat johtaa järjestelmällisiin epävarmuustekijöihin.
  • Lumi- ja kevytsade:[ Passiivinen mikroaaltojen haku lumisateen ja erittäin kevyen sateen (esim. tihku) vuoksi on edelleen haastavaa heikkojen signaalien ja monitulkintaisten allekirjoitusten vuoksi.
  • Temporaaliotannalla on aukkoja:[) Vaikka tähdistöt parantavatkin satelliittien peittoa, satelliittien ylikulkuteiden välillä on edelleen aukkoja erityisesti napa-alueilla ja lyhyissä konvektiivisissa tapahtumissa.

Tulevaisuuden Suunnat kauko-ohjaus Sateenvarjojen

Useat innovaatiot lupaavat joustaa sadetietojen laadun ja hyödyllisyyden rajojen yli:

Satelliittilähetysten jatkotoimet

Seuraavan sukupolven kokeet, kuten ehdotettu NASA-JAXA Sateenmittausoperaatio (PMM), Euroopan avaruusjärjestö EarthCARE (pilvi, aerosoli ja sadetutka), ja tulevat [EUMETSAT Polar System-Second Generation[], tuovat mukanaan parempia sensoreita, joissa on parempi resoluutio, parempi herkkyys valosateelle ja lumelle, ja tiheämmät uudelleentarkastelut.

Koneoppimisen integrointi

Syväoppi- ja datafuusiotekniikoita käytetään satelliittihavainnoinnin yhdistämiseen maa-aineistoihin, reanalyysituotteisiin ja korkean resoluution malleihin. Hybridien avulla voidaan vähentää hakuhaavoja ja luoda sadekenttiä maan päällä. Esimerkiksi PRISIANN-CCS-järjestelmä käyttää hermoverkkoja satelliittipohjaiseen sademäärän arviointiin.

Pienet satelliittien ja tähtikuvioiden

Edullisten pienten satelliittien ja CubeSatsin nousu tarjoaa mahdollisuuden ottaa käyttöön tiheitä tähtikuvioita, jotka voivat havaita sadetta erittäin korkealla aikaresoluutiolla (10...15 minuuttia). Planetin ja Spiren kaltaiset yritykset tutkivat mikroaalto- ja GNSS-radio-okkultaatiotekniikoita sateenasettamisen arvioimiseksi.

Parannetut maan kalibrointiverkot

Korkealaatuisten maakartoituspaikkojen, kuten disdromereiden ja tiheän verkon, laajentaminen auttaa parantamaan satelliittialgoritmien kehittämistä. [NOAA.s National Erittäin vaikea myrskylaboratorio [, käyttää GPM Ground Validation -ohjelmaa, joka ottaa käyttöön kenttäkampanjoita hakumallien testaamiseksi ja parantamiseksi.

Päätelmät

Kaukokartoitus on muuttanut perusteellisesti tutkijoiden ja operatiivisten virastojen keräämiä, analysoimia ja sademäärätietojen käyttöä. Satelliitit tarjoavat jatkuvan maailmanlaajuisen näkemyksen siitä, ettei maapohjaan perustuva verkko voisi saavuttaa yksin. Vaikka haasteita on edelleen erityisesti hienojakoisten ominaisuuksien ratkaisemisessa, valon ja kiinteiden sademäärien takaisinsaannissa ja kalibroinnin ylläpitämisessä vuosikymmenien aikana. ......................................................................................................................................................................................

Ulkoinen linkki: NOAA GPM Tuotesivu