【遥感应用】NASA是如何开展飓风研究的?
来源: http://www.nasa.gov/feature/goddard/how-does-nasa-study-hurricanes
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2015-10-15

2015年8月14日

飓风是地球上最强大的天气事件。美国国家航空航天局(NASA)空间和科学探索技术为由其他联邦机构提供给美国人民的必要服务提供支持,如:飓风天气预测。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)以及国家飓风中心(NHC)利用各种工具预测这些风暴的路径。这些科学家们需要大量数据准确预报飓风。NASA卫星、计算机模型、仪器设备、航空器和野外考察为科学家们更好的了解风暴提供混合型信息。

这幅接近登陆路易斯安那州卡特里娜飓风的可见光图像于8月29日世界标准时间5点16分 (美国东部时间1点16分)由安装在NASA 水色卫星上的MODIS仪拍摄。

照片提供:NASA戈达德MODIS快速反应小组

同步气象卫星(MTSTAT)云探测卫星(CloudSat)获取的台风海豚影像

照片提供:Natalie D. Tourville/科罗拉多州立大学

 

从NASA/JAXA GPM核心卫星数据生成的5月16日“海豚”台风眼东北地区3D视图显示在太平洋开阔水域的暴雨速度,每小时超过65毫米(2.6英寸)

 

7月14日,RapidScat卫星监测到,除了西南区的强风存在,在克劳德特流通中心周围的持续风速不强于每秒21米。

照片提供:NASA喷气推进实验室/ Doug Tyler

 

NASA研究之用

作为研究机构,NASA的任务是创造新型观测能力及分析工具,从而了解推动飓风的基本过程并依此整合那些数据用于预报。NASA跨部门合作使得国家从中受益。

马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心全球降水测量任务(GPM)项目科学家Gail Skofronick-Jackson指出,在卫星和航空器出现之前,就像1935年劳动节的基韦斯特飓风一样,飓风会摧毁整个城市。你不知道飓风何时到来,直到来了已经为时已晚。

撒哈拉沙漠以南雷暴与低气压区向西移动时,大西洋飓风形成。这些槽线被称为非洲东风波。温暖、潮湿的空气在风暴云内上升,把周围空气吸进雷暴。像一个花样溜冰者拉动胳膊增加旋转速度一样,这种向内移动的空气增加了风暴云内的空气旋转速度。这个跨越温暖大西洋的气旋每天重复这个周期,在有利环境下,海洋热量可能加速形成一个巨大的漩涡。

NASA使用大量仪器来更多了解关于这些风暴形成的进展。这些在一系列地球在轨航天器上的装置包括:Aqua、Terra、GPM、NASA-NOAA Suomi NPP、CalipsoJason-2CloudSat

马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心地球科学运行经理Eric Moyer表示,每个航天器有多个实现各种目的的仪器,这些通常是相辅相成的。通过Terra和Aqua卫星,可以看到一场风暴从一天发展到下一天--每一天上午和下午风暴系统的情况。

NASA研究什么?

这些仪器分析了这些风暴的不同方面,如:降雨率、表面风速、云高、海洋热、环境温度和湿度。观测这些因素帮助确定风暴形成或风暴加强的可能性。同样,此数据使气象学家更好地预测强飓风袭击陆地的地点、时间、和强度。

搭载在国际空间站上的NASA海风测量雷达仪(RapidScat)测量海面风,用来收集热带气旋数据。这可以显示在飓风中最强风的所在位置。由NASA QuikScat卫星任务开始,RapidScat继续进行长期卫星观测记录。

科学家们必须完整地了解飓风,以便预测它的轨迹和强度。这意味着气象学家必须观测风暴云自身的内部结构。

NOAA国家飓风中心资深飓风专家Michael Brennan指出,对风暴云系统结构进行观测能够帮助了解风暴结构和地点,提高预报。科学家大量依靠卫星被动微波成像仪观测风暴的核心发生了什么。

搭载在GPM上的被动微波成像仪和NASA-NOAA Suomi国家极轨联合任务能够通过云冠进行观测,使得科学家可以看到水在云中搅拌的位置。

Skofronick-Jackson指出,正像医生通过使用X射线了解人体内部症状一样,辐射计能够穿透云层了解气旋结构,了解风暴云中的液态水和飘雪量,然后知道可能有多少水会降到地面产生洪水。卫星观测海洋至关重要,这将不会改变。陆地上的雷达只能探测到近距离的海洋,如果没有航天器,可能需要每只船上都安装雷达。通过结合卫星数据的计算机模型,能够预测风暴路径,现在只需要撤离一半以前需要撤离的沿海地区。这点非常重要,因为打包收拾搬进酒店,关闭企业是很费钱的。

计算机模型

计算机模型是NASA强大研究工具之一。

NASA全球模型和同化办公室(GMAO),努力提高对飓风的了解及评估模型和过程质量。GMAO帮助确定缺失信息并决定需要增加到未来飓风研究和预测的服务项目中的工作。

当NASA发射更先进的对地观测仪器时,研究团队开发更高分辨率的模型,数据提取或数据同化过程能力得以提高。每一个新仪器使科学家和建模人员得以更近距离和更多样化地研究热带气旋。模型的分辨率越高、数据同化系统能力越强,从星载仪器提取数据及确定飓风强度和尺度就越容易,诸如风暴场和云的范围。

航空计划

NASA也通过野外考察任务开展飓风研究。包括使用一系列研究仪器涉及从读取湿度的辐射计,测量气溶胶、湿度和风力的激光雷达,测量高分辨率温度、气压、湿度及风力资料的下投式系统,到测量风暴中降水和风力三维数据的多普勒雷达系统。这些仪器监测飓风和热带风暴演变过程中的结构与环境。

NASA飓风研究的最近野外考察任务是飓风和极端风暴哨兵任务(HS3)。连续3年,HS3任务进行了大西洋地区影响飓风形成基础和强度变化的过程研究。此任务使用了“全球鹰”高空、长航时飞机,此飞机可以在海拔55000英尺(16764米)以上高度持续飞行26小时。从弗吉尼亚州瓦勒普斯飞行基地起飞,“全球鹰”无人机可以覆盖整个大西洋,通过12到18个小时在西大西洋风暴上空飞行,使大西洋中部或东部风暴早期阶段测量得以实现。

未来任务

2016年,NASA将发射由8颗小卫星星座组成的全球导航卫星系统(CYGNSS)。为更好地了解飓风强度突增现象,CYGNSS将探测飓风内部核心细节。CYGNSS的优势在于它能频繁对风暴进行测量。这样使得CYGNSS观测贯穿热带气旋整个生命周期,同时对由风暴眼内部或近风暴眼位置形成的海面风进行准确测量。目的是提高飓风强度预报水平。

NASA的数据与研究成果使得科学家们观测到驱动飓风的基本过程。气象学家将卫星、航空和计算机模型整合数据运用到美国和全世界天气预报中。

原文题目:

How Does NASA Study Hurricanes?

 

(王化、黄铭瑞编译,殷永元审核)