Aktualności

Dokładniejsze prognozowanie rzek atmosferycznych, dzięki nowemu operatorowi obserwacji dla lotniczych okultacji radiowych GNSS

17-04-2025

Teledetekcja GNSS oparta o lotnicze okultacje radiowe to nowatorskie podejście w profilowaniu ziemskiej atmosfery. Wariant jest dalszą ewolucją techniki okultacji radiowych GNSS, znanej z misji COSMIC, GRACE, czy Metop, opartej o parę satelitów - nisko-orbitującego i GNSS, które rutynowo zasilają numeryczne prognozy pogody. W przeciwieństwie do wariantu kosmicznego, zastosowanie okultacji lotniczych GNSS w meteorologii było ograniczone, z uwagi na brak dedykowanych algorytmów niezbędnych w procesie asymilacji danych. Opublikowana praca naukowca IGiG w międzynarodowym zespole badawczym jest kolejnym krokiem w rozwoju techniki, otwierającym drzwi do operacyjnego wykorzystania obserwacji w prognozowaniu 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 w oparciu o dane numerycznego modelu prognozy pogody, takie 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, prowadząc 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 dwu-wymiarowym (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.

Opublikowany artykuł naukowy 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) w programie NAWA im. M. Bekkera.

Szczegóły zastosowanego rozwiązania zostały przedstawione w pracy:

Hordyniec, P., Haase, J. S., Murphy Jr, M. J., Cao, B., Wilson, A. M., & Baños, I. H. (2025). Forward modeling of bending angles with a two-dimensional operator for GNSS airborne radio occultations in atmospheric rivers. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 17(4), e2024MS004324. https://doi.org/10.1029/2024MS004324