Nowe rozwiązanie pozwoli na dokładniejsze prognozowanie pogody

• Lotnicze okultacje radiowe GNSS

Technika polega na sukcesywnym pomiarze ugięcia sygnału na drodze pomiędzy satelitą nawigacyjnym a specjalnie przystosowanym samolotem badawczym wyposażonym w odbiornik GNSS. Ponieważ obserwacje zbierane są w momencie zachodu lub wschodu satelity GNSS nad krzywizną Ziemi, seria pomiarów może zostać odniesiona do punktów perygeum na kolejnych poziomach wysokościowych, tworząc w efekcie profil pionowy.
Technika dostarcza obserwacji komplementarnych dla tradycyjnych sondowań balonowych, które są kluczowe w opisywaniu pionowej zmienności atmosfery dla potrzeb prognozowania pogody. Aby uzyskać jak najdokładniejszy obraz stanu atmosfery, dane obserwacyjne łączone są z wynikami modelu numerycznego w procesie asymilacji danych. Dzięki temu prognozy pogody stają się bardziej wiarygodne, ponieważ model „startuje” z możliwie najbardziej realistycznych warunków początkowych. Kluczowym elementem każdego systemu asymilacji danych jest tzw. operator obserwacji.

• Czym jest operator obserwacji?

Operator obserwacji pełni rolę tłumacza pomiędzy językiem fali elektromagnetycznej (radiowej) a parametrami meteorologicznymi. Przy użyciu dedykowanego algorytmu matematycznego możliwe jest odtworzenie obserwacji GNSS z wykorzystaniem danych numerycznego modelu prognozy pogody, takich jak ciśnienie, temperatura czy wilgotność. W efekcie możliwe jest bezpośrednie porównanie dwóch niezależnych źródeł danych. Otrzymane różnice są następnie mapowane powtórnie do parametrów modelu celem wyznaczenia przyrostów, co prowadzi do zmiany warunków początkowych na bardziej realistyczne.
Zazwyczaj wykorzystuje się operatory jednowymiarowe (1D), które pozwalają na symulację obserwacji w oparciu o pojedynczy profil atmosfery. Najczęściej modelowaną obserwacją GNSS jest parametr refrakcyjności, który znacznie upraszcza proces obliczeniowy. Opracowany operator odchodzi od wspomnianych wyżej generalizacji, co czyni go najbardziej zaawansowanym narzędziem dla zastosowań operacyjnych.
Po pierwsze – algorytm pozwala na symulację parametru kąta ugięcia, który wymaga operatora różniczkowego na potrzeby rozwiązania równania promienia. Po drugie – jest operatorem dwuwymiarowym (2D), który poza pionową zmiennością atmosfery bierze pod uwagę zmianę w rozkładzie horyzontalnym wzdłuż płaszczyzny propagacji sygnału GNSS. Dokładność narzędzia podyktowana jest wysoką dynamiką zjawisk pogodowych, do których obserwacji wykorzystuje się technikę lotniczych okultacji radiowych GNSS.

• Rzeki atmosferyczne i program AR Recon

Rzeki atmosferyczne to wąskie, długie pasma skoncentrowanej pary wodnej przemieszczające się w atmosferze, zwykle na wysokości około 2–3 km. Działają jak powietrzne „autostrady wilgoci”, transportując ogromne ilości pary wodnej z obszarów tropikalnych w kierunku wyższych szerokości geograficznych. Gdy taka rzeka atmosferyczna napotka przeszkody terenowe (np. góry) lub chłodniejsze powietrze, para wodna może się skondensować i spowodować intensywne opady – często prowadzące do powodzi.
AR Recon (ang. Atmospheric River Reconnaissance) to program badawczy, którego celem jest lepsze zrozumienie i przewidywanie rzek atmosferycznych poprzez pozyskiwanie danych meteorologicznych z trudno dostępnych obszarów oceanu.
Poza okultacjami radiowymi GNSS źródłem obserwacji są m.in.:
• sondowania meteorologiczne (tzw. dropsondy),
• boje oceaniczne i satelity,
• radary i modele numeryczne.
Program jest szczególnie ważny dla zachodniego wybrzeża USA, które często doświadcza gwałtownych opadów i powodzi spowodowanych przez rzeki atmosferyczne. Znanym przykładem jest tzw. „Pineapple Express”, który przenosi wilgoć z okolic Hawajów do zachodniego wybrzeża USA. Dzięki danym z AR Recon prognozy są dokładniejsze, a służby mogą się lepiej przygotować na ekstremalne zjawiska pogodowe.

Artykuł „Forward modeling of bending angles with a two-dimensional operator for GNSS airborne radio occultations in atmospheric rivers” opublikowany w „Journal of Advances in Modeling Earth Systems” jest owocem współpracy dr. inż. Pawła Hordyńca z Instytutem Oceanografii Scrippsów (SIO) przy Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UCSD) w ramach projektu „Teledetekcja atmosfery w technice lotniczych okultacji radiowych GNSS” (PPN/BEK/2020/1/00250; program NAWA im. M. Bekkera).